數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)

數(shù)字頻率計(jì)是我們經(jīng)常會(huì)用到的實(shí)驗(yàn)儀器之一，本實(shí)驗(yàn)要使用單片機(jī)和計(jì)數(shù)電路及液晶器件來設(shè)計(jì)一個(gè)寬頻的數(shù)字頻率計(jì)。

數(shù)字頻率計(jì)的實(shí)驗(yàn)電路圖(初步方案)

1) 數(shù)字頻率計(jì)的計(jì)數(shù)及顯示電路：

圖1數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)電路圖

2)前置放大及分頻電路

數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)思路

頻率的測量實(shí)際上就是在1S時(shí)間內(nèi)對信號進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)值就是信號頻率。用單片機(jī)設(shè)計(jì)頻率計(jì)通常采用兩種辦法，1)使用單片機(jī)自帶的計(jì)數(shù)器對輸入脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，或者測量信號的周期;2)單片機(jī)外部使用計(jì)數(shù)器對脈沖信號進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)值再由單片機(jī)讀取。

由于單片機(jī)自帶計(jì)數(shù)器輸入時(shí)鐘的頻率通常只能是系統(tǒng)時(shí)鐘頻率的幾分之一甚至幾十分之一，因此采用單片機(jī)的計(jì)數(shù)器直接測量信號頻率就受到了很大的限制。

本實(shí)驗(yàn)電路采用方式2，使用一片74LS393四位雙二進(jìn)制計(jì)數(shù)器和Atmega8的 T1計(jì)數(shù)器組成了24位計(jì)數(shù)器，最大計(jì)數(shù)值為16777215。如果輸入信號經(jīng)過MB501分頻器進(jìn)行64分頻后再進(jìn)行測量，則固定1S時(shí)基下最高測量頻率為1073.741760Mhz。

為了方便得到準(zhǔn)確的1秒鐘測量閘門信號，我們使用了Atmega8的異步實(shí)時(shí)時(shí)鐘功能，采用32.768Khz的晶振由TC2產(chǎn)生1秒鐘的定時(shí)信號。

數(shù)字頻率計(jì)的測量原理

單片機(jī)打開測量閘門，即PB1輸出高電平，同時(shí)TC2定時(shí)器啟動(dòng)。74LS393開始對輸入脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，74LS393每計(jì)數(shù)達(dá)256時(shí)，Atmega8的T1計(jì)數(shù)器也向上計(jì)數(shù)1次。當(dāng)1S定時(shí)到達(dá)時(shí)，單片機(jī)產(chǎn)生中斷，PB1輸出低電平關(guān)閉測量閘門，然后Atmega8讀取74LS393和T1的計(jì)數(shù)值，然后送LCD顯示。

所謂“頻率”，就是周期性信號在單位時(shí)間變化的次數(shù)。電子計(jì)數(shù)器是嚴(yán)格按照f=N/T的定義進(jìn)行測頻，其對應(yīng)的測頻原理方框圖和工作時(shí)間波形如圖1 所示。從圖中可以看出測量過程：輸入待測信號經(jīng)過脈沖形成電路形成計(jì)數(shù)的窄脈沖，時(shí)基信號發(fā)生器產(chǎn)生計(jì)數(shù)閘門信號，待測信號通過閘門進(jìn)入計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，即可得到其頻率。若閘門開啟時(shí)間為T、待測信號頻率為fx，在閘門時(shí)間T內(nèi)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值為N，則待測頻率為

fx = N/T (1)

若假設(shè)閘門時(shí)間為1s，計(jì)數(shù)器的值為1000，則待測信號頻率應(yīng)為1000Hz或1.000kHz，此時(shí)，測頻分辨力為1Hz。

本實(shí)驗(yàn)的閘門時(shí)間分為為4檔：1s,100ms,10ms,1ms。

圖2 測頻原理框圖和時(shí)間波形

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