關于調頻信號測試的數字頻率計的單元電路設計

山東省廣播電影電視局蒙山轉播臺 陳利新

1.引言

數字頻率計是直接用十進制碼來顯示被測信號頻率的一種測量裝置。作為一種基礎測量儀器，已在教學、科研、高精度儀器測量、工業控制等領域有較廣泛的應用。

在模擬電路和數字電路實驗中，信號源可產生各種頻率范圍的信號，如果能直接讀出其頻率，可以給實驗者帶來很大的方便。所以頻率計是實驗箱中很重要的組成部分，而購買設計好的頻率計成本較高，所以設計了一個簡易的頻率計，完善了實驗箱的功能，具有較好的使用價值。

實驗中使用信號的頻率不是很高，所以要求設計的頻率計測量的頻率范圍在1Hz---10MHz之間。能夠測量任何該頻率段內的周期信號的頻率，延時要小，測量迅速，以十進制數顯示，便于讀數，單位以Hz或KHz顯示，自動轉換單位。

2.整形電路設計

整形電路，將模擬信號轉換成二值信號，即只有高電平和低電平的離散信號。所以我們選擇電壓比較器作為模擬電路和數字電路的接口電路，將非矩形信號變換成矩形信號。對比較器的選擇主要從以下幾個方面考慮：

(1)傳播延遲時間：這是選擇比較器最重要的參數，延遲時間包括信號通過元器件產生的傳輸延時和信號的上升時間與下降時間，顯然只有延遲時間短了，才能使整個處理時間縮短；

(2)電源電壓：傳統的比較器需要±15V雙電源供電或高達36V的單電源供電，這些產品在工業控制中仍有需求，但是，從市場發展趨勢看，目前大多數應用需要比較器工作在電池電壓所允許的單電源電壓范圍內，而且，比較器必須具有低電流、小封裝的特點，有些應用中還要求比較器具有關斷功能；

(3)功耗：對于所有器件來說，當然功耗越低越好，但在此需要權衡比較器的速度與功耗，找到兩者的最佳結合；

(4)門限電壓：可以通過設置外圍器件來確定門限電壓的大小，門限電壓越大電路抗干擾能力越強，但是靈敏度就會變差，因此，要根據具體需要確定門限值大小。

考慮到以上因素，這里選擇使用TI公司的芯片LM311，其引腳圖如圖1。

輸入信號通過電阻R1接入LM311的引腳2，這樣不至于使引腳2因輸入電流過大而燒壞芯片。當輸入電壓大時，為了不毀害芯片，需要在引腳2上接二極管來保護芯片。引腳3是負輸入端，但如果直接接地，在引腳2上即使有微小的波動(干擾信號)也會導致輸出端輸出脈沖。因此，引腳3不可直接接地，通過在引腳3和8腳接分壓電阻，設置門限電壓。引腳8接+5伏電源，電阻R3、R4分壓，R4:R3≈1:20，即門限電壓為0.25V(R3=4.7K，R4=220)，當輸入電壓小于0.25V時，輸出不變，從而使電路具有了一定的抗干擾能力。LM311輸出電路為集電極開路的門電路(OC門)，因此還需在輸出腳7加上拉電阻R5。從而可得整形電路如圖2。

3.計數電路設計

整形后，對于低頻信號，其上升沿變化比較緩慢，且疊加有高頻信號，計數電路可能將此抖動誤認為輸入脈沖對其計數，為避免這種錯誤計數，可使低頻信號經低通濾波器，從而消除上升沿的抖動，而對高頻信號，經濾波器后被濾除。因此在濾波前就應把低頻和高頻分開，在這里使用反相器74HC14(Philips公司產)，使高頻信號不經反相器，而低頻信號經反相器后濾波，得到較規則的矩形信號。

得到的矩形信號要輸入到單片機中，這里使用ATMEL公司生產的AT89C2051單片機，它是一種低電壓、高性能的CMOS 8位單片機，管腳少，體積小，且功能強。片內含2KB的可反復擦寫的只讀FLASH程序存儲器和128B的隨機存取數據存儲器，有兩個16位的定時/計數器，T0、T1，一個5向量兩級中斷結構，一個全雙工的串行通信口，內置一個精密比較器，片內振蕩器及時鐘電路。

AT89C系列與MCS-51系列單片機相比有兩大優勢：第一，片內程序存儲器采用閃速存儲器，使程序的寫入更加方便；第二，提供了更小尺寸的芯片，使整個硬件電路的體積更小。AT89C2051的管腳圖如圖3。

AT89C2051的1腳為復位信號輸入端，高電平有效，單片機運行時，在此引腳上加持續時間大于兩個機器周期的高電平時，就可完成復位操作。復位電路常采用上電自動復位和按鈕復位兩種方式。這里采用上電自動復位。它是通過外部復位電路的電容充電來實現的。只要VCC的上升時間不超過1mS，就可實現自動上電復位。這里時鐘頻率選擇12MHz時，C取10uF，R取10k。

圖1 LM311引腳圖

圖2 整形模塊電路

圖3 AT89C2051引腳圖

在此使用AT89C2051單片機內部的定時/計數器測量頻率，基本測量過程為：定時/計數器1(T1)的計數寄存器清0，運行控制位TR置1，啟動定時/計數器工作；同時運行定時/計數器0(T0)定時1s，T0定時1s時間到TR1清0，停止計數。當外部輸入信號產生由1到0的負跳變時，計數器加1。每個機器周期的S5P2期間對外部輸入引腳采樣，如果在第一個機器周期中采得的值為1，下一個機器周期中采得的值為0，則在緊跟著的再下一個機器周期的S3P1的期間計數器加1。因此確定一次負跳變要花兩個機器周期，即24個振蕩周期，這就要求外部輸入的計數脈沖的最高頻率為振蕩器頻率的1/24。這里單片機選用12MHz的晶振，允許的最高輸入頻率為500KHz，對于在高的頻率，單片機無法正確計數。

要想對高頻信號測量頻率，就需要先分頻。單片機根據頻率的大小選擇對信號進行100分頻或10分頻或不分頻，從而實現自動換檔。這里選用ST公司生產的芯片74HC390，整形后的信號，低頻送入反相器74HC14，高頻送入分頻器74HC390，先進行10分頻，10分頻后在經過另一片74HC390輸出經100分頻后的信號，這樣理論上單片機就可以對500K×100即50MHz的信號測頻。頻率小于500KHz的信號不需要分頻就可測量頻率值，頻率范圍在500KHz—5MHz內的信號要經過10分頻才能測量頻率，頻率范圍在5MHz—50MHz內的信號要經過100分頻才能測量頻率。由于頻率值可能超過計數器的最大計數值65535而使計數器溢出，這里定時器只定時100mS，技術完成后通過對數據處理，得到信號的真正頻率值。具體的單片機是對不分頻的信號測頻，還是對10分頻的信號測頻，還是對100分頻的信號測頻，就要通過數據選擇器選擇。這里選用ST公司生產的芯片74HC253作為數據選擇器選擇出輸入到單片機的信號。不分頻的信號輸入到74HC253的10腳，10分頻的信號輸入到74HC253的11腳，100分頻的信號輸入到74HC253的12腳，通過單片機的P1.5和P1.6位控制數據選擇器的地址位A和B。計數模塊的硬件電路如圖4。

4.顯示電路設計

最后要把處理完的數據在顯示電路中顯示。這里選用6位8段共陽LED數碼管顯示。LED顯示方式有兩種，靜態顯示和動態顯示。雖然靜態顯示亮度高，接口編程也比較容易，但占用的口線較多，六位顯示就需要6個鎖存器，這樣電路所用的器件較多、連線比較繁瑣，所以采用動態顯示方式。這就需要首先確定位選，對該位送段碼顯示，然后延時一定時間，選定下一位，再送段碼顯示，如此循環。

工作過程為：

首先確定位選：由單片機的P1.2、P1.3、P1.4作為3-8譯碼器74HC138的輸入，74HC138的輸出決定了數碼管的選擇位。每個數碼管的公共端與一個接有高電平的PNP三極管的集電極相連，三極管的基極與3-8譯碼器的輸出相連，通過軟件編程設置單片機的P1.2、P1.3、P1.4位，就設置了3-8譯碼器的輸入，3-8譯碼器的輸出只有一位為低電平，與這一位連接的三極管就處于飽和狀態，集電極與發射極間的飽和管壓降只有0.7V，三極管的集電極電壓為：5V-0.7V(二極管壓降)-0.7V(飽和管壓降)=3.6V，與這一個三極管連接的數碼管就被選中；3-8譯碼器的其它位輸出高電平，三極管處于截至狀態，集電極為低電平，相應的數碼管不被點亮，所以三極管在這里起到了開關的作用。

圖4 計數模塊電路

圖5 顯示模塊電路

圖6 電源電路

圖7 單位顯示電路

圖8 數字頻率計硬件電路圖

其次送斷碼：選中數碼管后，單片機就可以通過串行口將要在該位數碼管上顯示的數的段碼送入鎖存器74HC164。由于74HC164的最高輸出電壓可達電源電壓，而數碼管中的發光二極管的最大電流為20MA，所以要在其輸出端加限流電阻，其大小為：VCC÷Imax≈200

顯示模塊的硬件電路如圖5。

5.其它電路

(1)電源電路

電源電路產生的＋5V電源為電路中所有芯片和數碼管提供了工作電壓，經查閱，這些芯片和數碼管的靜態電流為：

2.5MA+80MA+12MA+20×6mA≈215MA

則電源電路輸出端電阻等效為：

5V÷215MA

輸入端等效電阻為：

R=12V÷(5V÷215MA)≈516

延遲時間：RC≈5×10mS

計算得：C≈100uF

電路如圖6。

(2)單位顯示部分電路

P1口可輸出達20MA的電流，所以可以直接驅動發光二極管。一般發光二極管工作電流取10毫安，最多不超過20毫安，P1口輸出最大電壓為2.4V，所以可計算得限流電阻為：2.4V÷20MA≈100，電路如圖7。

(3)濾波電路：

為濾除各芯片內的噪聲，可在每個芯片的電源和地之間接入濾波電容。

至此，單元電路已設計完畢，可得到頻率計的硬件電路，如圖8。

6.總結

此數字頻率計單元電路的設計，通過測試，很好地達到了預期目標，符合設計要求。

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