基于單片機的數字頻率計設計

摘要：基于單片機的數字頻率計的設計，目的是設計一款數字頻率計，能夠測量1 Hz～20 MHz的數字頻率，包括三角波、正弦波及方波的測量，支持0．5 V～20 V電壓。本頻率計的特點是突破普通單片機頻率計喜歡選用的直接測量法，選擇了高頻用多周期同步法，低頻用周期法來測量頻率。這樣可以使頻率計達到更高的精度。而且本頻率計通過程序來控制分頻芯片自動分頻，無需測量者對信號進行預估計，超出測量范圍會自動警報，更加人性化。
關鍵詞：單片機；頻率計；自動分頻

1 總述
單片機頻率計不僅反應快、精度高，操作也非常人性化，而且應用范圍大、帶寬大以及成本低廉、小巧方便。它可以用來測量一定電壓范圍內正弦波、三角波及方波。本設計是基于單片機為主控制電路，配合著一定的外圍芯片及電路而設計的一款處理數字信號的高頻頻率計，測量范圍能達到1 Hz～20 MHz，其新穎之處在于用運了兩種測頻方法，且采用自動分頻的方式使基于單片機的頻率計能夠在低成本的前提下完成較高精度的高頻數字信號的頻率測量。

2 總體設計
本設計欲設計一款基于單片機的數字頻率計，其特色是測量范圍為1 Hz～20 MHz。對待低頻和高頻信號的測量分別使用不同的測頻方法去對待。具體總的思想是以單片機為核心，被測信號先進入信號放大電路進行放大，再被送到波形整形電路整形，把被測得正弦波或者三角波轉化為方波。利用單片機的計數器和定時器的功能對被測信號進行計數。編寫相應的程序可以使單片機自動調節(jié)測量的量程，并把測出的頻率數據送到顯示電路顯示。該頻率計系統(tǒng)設計共包括五大模塊：主芯片控制模塊、分頻選擇模塊、放大整形模塊、基準頻率模塊和顯示模塊。各模塊作用如下：
主芯片控制模塊：以AT89S52單片機為控制核心，來完成對待測信號的計數，譯碼和顯示以及對分頻比的控制。利用其內部的定時／計數器完成待測信號周期／頻率的測量。單片機AT89S52內部具有3個16位定時／計數器，定時／計數器的工作可以由編程來實現定時、計數和產生計數溢出時中斷要求的功能。
分頻選擇模塊：考慮單片機外部計數，使用12 MHz時鐘時，最大計數速率為500 kHz，因此需要外部分頻。分頻電路用于擴展單片機頻率測量范圍，并實現單片機頻率測量使用統(tǒng)一信號，可使單片機測頻更易于實現，而且也降低了系統(tǒng)的測頻誤差。本設計使用的分頻芯片是74HC4040，選擇芯片是74LS153。
放大整形模塊：放大電路是對待測信號的放大，降低對待測信號幅度的要求。整形電路是對一些不是方波的待測信號轉化成方波信號，便于測量。本設計使用的放大芯片是LT1358，整形芯片是74LS132。
基準頻率模塊：為了產生一個標準的頻率，這里使用了AT89C2051。這是一款類似于AT89S51的8051內核的非總線單片機。這里運用其一個定時器產生一個穩(wěn)定的頻率。
顯示模塊：鑒于大部分頻率計采用的是數碼管形式的顯示方式，為了節(jié)約用電，減小體積本設計采用液晶顯示屏顯示，融入了文字提示等信息，方便使用者觀察選擇。本設計選用LCD1602。
2．1 高頻方案
本設計對待高頻信號(>10 kHz)欲選用多周期同步測量法，在充分利用單片機計數器的條件下，實現更精確的測量。圖1所示即為多周期同步法測頻原理框圖。參考閘門產生大概的取樣時間為T，實際閘門的開啟由參考閘門和被測信號同步產生。當參考閘門給出后，由隨后到來的被測信號的第一個脈沖打開兩個計數器的閘門開始計數。被測信號fx通過閘門1由計數器A計數，得到計數值Nx，標頻信號脈沖fs通過閘門2由計數器B進行計數，得到計數值Ns。當參考閘門關閉后，由隨后到來的被測信號脈沖關閉兩個計數器的閘門，停止計數。則被測頻率的表達式為：fx=fs×(Nx／Ns)。