智能頻率計的研究與設計

鄭太恒,孫鳳乾,劉海英,劉大鵬

齊魯工業(yè)大學( 山東省科學院) 電氣工程與自動化學院,濟南 250353

數(shù)字頻率計與傳統(tǒng)純硬件電路的測量方式相比,有著成本低,速度快,空間占用率低等優(yōu)點?？梢詫崿F(xiàn)量程的自動切換,對脈沖寬度等其他參數(shù)進行測量的功能[1]。

目前主流的數(shù)字頻率計設計方案有采用小規(guī)模數(shù)字集成電路制作,采用FPGA芯片作為控制核心,采用單片機為主控制芯片等方案[2]。小規(guī)模數(shù)字集成電路設計可以長期儲存且穩(wěn)定性較高[3],但電路結(jié)構(gòu)較為復雜且無法通過編程實現(xiàn)功能。FPGA 的出現(xiàn)突破了硬件設計方面的體積大、難于集成、設計完后不容易更改的瓶頸[4],但是價格昂貴且編程復雜。隨著單片機技術(shù)的發(fā)展,單片機已經(jīng)可以完美彌補以上缺點,實現(xiàn)高精度,快速度,小體積的頻率計設計[5]。基于單片機的數(shù)字頻率計利用單片機內(nèi)部的定時/計數(shù)器直接計算頻率[6],選用MAX232芯片進行單片機與PC機的電平轉(zhuǎn)換[7],以此進行測量參數(shù)如波形、量程等選擇,這樣可以實現(xiàn)多波形、大量程測量,但操作復雜需要人工干預,不夠方便,且由于計算方式問題會出現(xiàn)誤差[8]。

本設計的大體流程為通過單片機內(nèi)自帶的定時/計數(shù)器,將經(jīng)過整流、分選頻電路[9]后的輸入信號在多個不同周期中分別進行測量[10],從而達到高頻率、高精度、低誤差的性能指標,最后將測量頻率值輸出至LCD1602液晶屏顯展示結(jié)果,可以實現(xiàn)多波形測量及量程的智能切換。

1 智能頻率計

1.1 概 述

本課題介紹的以單片機為核心設計的智能數(shù)字頻率計,可以測量10 Hz～1 MHz的頻率,測量波形為三角波、矩形波、正弦波。

1.2 測量原理

本次設計選擇了多周期同步測頻法。多周期同步測頻法是基于傳統(tǒng)直接測頻法改進而來的。傳統(tǒng)的直接測頻法是將待測信號輸入到單片機計數(shù)器的計數(shù)輸入端,使計數(shù)器在標準時間T內(nèi)進行計數(shù),但是由于計數(shù)器只能進行整數(shù)計數(shù),所以會有誤差。多周期同步測頻法是指在閘門時間內(nèi)分別記錄待測信號F和基頻信號Fx的下降沿個數(shù)N1,N2,計算方法為:F=Fx·(N1/N2)。

由于基頻信號在規(guī)定時間內(nèi)的下降沿個數(shù)是一定的,所以在設計中可以不設計基頻電路而在程序中改用事先測量好的固定基頻數(shù),從而簡化硬件電路。

2 系統(tǒng)硬件設計

本設計主要由信號整形模塊,分頻模塊,選頻模塊,顯示模塊組成。硬件系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 硬件系統(tǒng)框圖

2.1 信號整形模塊設計

本次設計所涉及到的三種波形中,只有矩形波能直接被單片機的輸入引腳所識別,所以如果想測量三角波、正弦波和矩形波,必須在信號輸入端設計一個信號整形模塊以實現(xiàn)在信號輸入到單片機前,將除矩形波外其他波形整形成矩形波的功能。要實現(xiàn)將輸入信號都轉(zhuǎn)換為可以為單片機識別的方波并進行信號整形、增強其抗干擾能力這個目的,采用施密特觸發(fā)器是最常用且簡單有效的。

555定時器本身引腳通過一些特殊連接方式加之以簡單輔助電路就可以構(gòu)成一個施密特觸發(fā)器,只需將555定時器的閾值輸入端與觸發(fā)輸入端共同作為總輸入端,再加以周圍一些簡單電路就形成了一個施密特觸發(fā)器。在新構(gòu)成的施密特觸發(fā)器中,1、8管腳分別接地和電源；2、6管腳分別為低觸發(fā)端TR和高觸發(fā)端TH,二者相連后共同連接信號輸入端作為信號總輸入端；3管腳輸出信號的高低電平是由6和2管腳共同接收的電壓決定的,施密特觸發(fā)器的正負閾值電壓分別為2VCC/3和VCC/3。當輸入信號一直減小到低于負向閾值時,3口輸出的電壓變?yōu)楦唠娖?；當輸入信號增大到高于正向閾值時,3口輸出電壓變?yōu)榈碗娖?。從而實現(xiàn)了將模擬信號波形轉(zhuǎn)變?yōu)榫匦尾ǖ哪康摹?管腳是一個用來做信號整形防止外部干擾擾亂波形的接口,本設計中接一個0.01 μF的電容。

以施密特觸發(fā)器為主體的信號整形模塊的硬件電路設計如圖2所示。

圖2 信號整形電路

2.2 分頻選頻模塊設計

本設計決定用CD4040作為分頻模塊的分頻芯片,其最大的分頻倍數(shù)為4 096倍,足以保證本次設計的要求。經(jīng)過分頻后的信號還需要一個數(shù)據(jù)選擇器來選擇具體分頻倍數(shù),最后決定用數(shù)據(jù)選擇器74LS151作為數(shù)據(jù)選擇器,它可以對數(shù)據(jù)進行八選一操作。當CD4040的CLK口接收到來自施密特觸發(fā)器送出的下降沿后開始計時,信號經(jīng)過計數(shù)器經(jīng)分頻送至計數(shù)器脈沖輸出端。計數(shù)器脈沖輸出端與數(shù)據(jù)選擇器的8 個輸入數(shù)據(jù)端D0至D7相連接。單片機控制數(shù)據(jù)選擇器根據(jù)D0至D7端口上接收到的信號確定一個分頻倍數(shù)。單片機的P3.2、3.3、3.4接口各自接CD4040中的地址端口A、B、C,然后通過編寫的軟件的功能來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的合理化選擇,軟件根據(jù)分頻倍數(shù)和計數(shù)器計數(shù)N1的結(jié)合選擇一個端口的數(shù)據(jù)寫入單片機。(此處舉例74LS151經(jīng)過地址譯碼選擇數(shù)據(jù)端時的情況:若ABC=000,則向輸出端寫入D0口的數(shù)據(jù)；若ABC=111,則向輸出端寫入D7口的數(shù)據(jù))

分頻控制模塊電路圖如圖3所示。

圖3 分頻選頻控制模塊

2.3 單片機內(nèi)部的定時器/計數(shù)器

本次設計的完成就是依賴于單片機內(nèi)部的定時/計數(shù)器。在智能頻率計中首先將單片機中工作方式寄存器的M1口置0,M0口置1,讓內(nèi)部定時/計數(shù)器作為16位定時/計數(shù)器工作,即工作方式1。然后設置T0為定時器,T1為計數(shù)器,即令控制T0的C/T口置0,T1的口置1。

安排好他們兩個的工作方式和功能后,通過軟件給與定時器T0賦予600 ms閘門時間并通過TR0、TR1啟動定時器計數(shù)器,由于本次設計采用的是多周期同步測頻法,所以除被測信號外還要知道基頻信號,但是由于基頻信號頻率一定,本著簡化電路的原則就不在此設計中使用定時器T2測量基頻信號而是由程序中直接給出。這樣只需讓T1計數(shù)得出被測信號N1,N1是由單片機的P3.5引腳上的高低電平信號中下降沿個數(shù)決定的。在此時,分頻倍數(shù)也通過程序輔助選好,即當單片機P3.5口從選頻模塊選擇時,先從數(shù)據(jù)選擇器的D7口進行選擇,在數(shù)據(jù)選擇器上的每個口都有對應的N1的范圍,當N1范圍不在D7口時,地址自動加1,從D6口進行選擇,以此類推直到選擇到合適的分頻倍數(shù)。一切確定后將N1、N2送入單片機中的運算處理單元進行計算。

此過程大體流程圖如圖4所示:

圖4 定時/計數(shù)器工作流程

2.4 顯示電路模塊設計

LCD1602的1腳2腳分別接地和電源,3腳為液晶顯示器對比度調(diào)整端,接正電源時對比度最弱,接地時對比度最高,對比度過高時會產(chǎn)生“鬼影”,使用時通過一個10 K的滑動變阻器調(diào)節(jié)電壓從而調(diào)節(jié)對比度。在整個芯片中控制該模塊執(zhí)行指令的引腳為6引腳,當該引腳上電平發(fā)生由高到低的跳變時,該模塊開始工作。顯示模塊電路原理如圖5所示。

圖5 顯示電路

3 系統(tǒng)軟件設計

一個設計如果想實現(xiàn)其目標功能,只靠硬件電路是不夠的,還需要軟件電路的“驅(qū)動”。

當程序開始運行后,首先打開定時器中斷,然后通過編程實現(xiàn)對定時/計數(shù)器T0、T1的工作模式進行定義。令T0用于定時,周期為600 ms,T1用于記數(shù),對LCD1602進行初始化,并寫入初始顯示內(nèi)容,將分頻倍數(shù)與頻率拆分后,逐個寫入顯示屏進行顯示。主程序流程圖如圖6所示。

圖6 主程序流程圖

中斷開始后,先對原程序進行入棧/壓棧處理,然后用N1記錄定時器T1的值(定義一個16位的變量,先接受高8位數(shù)據(jù),左移8位后再接受低8位數(shù)據(jù)),用N1計算出計數(shù)頻率,再根據(jù)N1選擇分頻倍數(shù),之后計算出測量頻率,將定時器T0,計數(shù)器T1重置后,對原程序進行出棧,中斷結(jié)束。

LCD顯示時,首先將LCD初始化。在程序中0代表第一行,1代表第二行,向0寫入“fenpin:”,向1寫入“Fre:Hz”。然后讀LCD忙狀態(tài)子程序,先將數(shù)據(jù)口P0全部設置為高電平,通過為引腳賦不同值進行讀命令,LCD1602忙信號在D7口,檢測D7口狀態(tài)若為1則忙碌,此時輸入信號會被無視,需要等待,當其不忙后向LCD寫命令或數(shù)據(jù)。

本設計可以檢測8位數(shù)值,首先顯示第8位上的數(shù)字,測量的頻率對10 000 000取整后再對10取余即為最后顯示數(shù)值第八位上的數(shù)字,同理第7位上的數(shù)字是測量的頻率對1 000 000取整后再對10取余,以此類推顯示出8位頻率。然后對分頻倍數(shù)進行顯示,方法與頻率顯示一樣只不過分頻倍數(shù)只有4位。

4 系統(tǒng)仿真

4.1 系統(tǒng)仿真

仿真前,因為要驗證該設計是否能測量多種波形所以要先在本次設計的信號輸入端加一個Proteus函數(shù)發(fā)生器,正極接頻率計的信號輸入端,負極接地。進行仿真，隨后彈出函數(shù)發(fā)生器設置面板,其中Frequency的作用是調(diào)節(jié)頻率、Amplitude的作用是調(diào)節(jié)幅度、Waveform的作用是波形切換、Polarity的作用是單雙極性切換、Range為選擇量程。如圖7所示提供正弦波、三角波以及方波的波形選擇。

圖7 函數(shù)發(fā)生器控制面板

隨便輸入頻率值與波形后,頻率計顯示出數(shù)字,直接與信號輸入端口連接的數(shù)碼管所顯示數(shù)字為實際輸入信號的頻率值,而LCD液晶顯示屏顯示的則是本次仿真通過整形、計算、LCD計算后的測量頻率。LCD屏第一行為分頻倍數(shù),從2 048開始向下減直到選擇到合適的分頻倍數(shù),第二行是測量值它隨著分頻倍數(shù)的變化發(fā)生變化,當分頻倍數(shù)確定后,測量值也隨之確定。

本小節(jié)以正弦波為例進行仿真驗證,當選擇輸入頻率為低頻1 kHz時,LCD顯示結(jié)果如圖8所示,此時分頻倍數(shù)為1。

圖8 低頻信號測量

為了證明可以測頻率非常高,隨機輸入一個很大的數(shù),此時由于LCD計算和單片機內(nèi)部定時計數(shù)器的計算,顯示時間可能會長一點,高頻段測量結(jié)果如圖9所示,此時分頻倍數(shù)為2 048,可以看出此時測量頻率和實際頻率還是有一定誤差的,造成誤差的原因有很多,下面將會進行討論。

圖9 高頻信號測量

4.2 誤差分析

出現(xiàn)誤差的原因有兩個,第一測量待測信號的周期個數(shù)時由于計算閘門時間的不穩(wěn)定性導致；第二是由于該設計中存在分頻電路,當分頻倍數(shù)達到2 048時,送給單片機T1口計數(shù)的下降沿個數(shù)會增加一個,從而導致測量頻率誤差就會增加2 048。

5 結(jié) 論

本設計采用了當下最為常用的單片機作為硬件核心,彌補了傳統(tǒng)硬件電路造價高,電路復雜的缺點,以最小的空間、最簡單的電路和最低的造價對各種波形信號的頻率進行測量,采用了多周期同步測頻法,只要周期足夠大,不存在測量死區(qū)問題,測量的準確度得到提升。

采用的12 MHz晶振的單片機理論上存在500 KHz的計數(shù)頻率上限值,本設計采用分頻模塊將高頻信號分頻,大大提高數(shù)字頻率計的量程。分頻后采用數(shù)據(jù)選擇器與單片機相連,通過軟硬件結(jié)合的方式實現(xiàn)量程的自動切換,改善了傳統(tǒng)頻率計需要手動切換量程的特點。

實驗證明仿真器件數(shù)學模型因為考慮了芯片處理延時,所以在測高頻信號時等待結(jié)果的周期比較長。