數字頻率計的設計

王麗琴，史 航

（1.常州信息職業技術學院，江蘇 常州213000；2.江蘇理工學院，江蘇 常州213000）

1 數字頻率計的工作原理

以單片機STC89C52為核心，采用倍頻法，根據頻段設置倍頻系數將經放大、整形的低頻信號進行倍頻后再進行測量，高頻段則直接測量用定時、計數的方法測量頻率，采用一個2個四位共陰的數碼管顯示6位數。測量范圍從500Hz-1MHz的正弦波、方波的頻率測量。

數字頻率計的工作過程為：被測信號fx經脈沖電路整形，變成脈沖波形，其周期Tx與被測信號的周期相同。實際電路輸出標準時間信號，設其高電平持續時間為1s，則計數器的計數時間就為1s，計數器計得的脈沖數N就是被測信號的頻率。邏輯控制單元的作用有兩個：其一，產生清零脈沖，使計數器每次從零開始計數；其二，產生鎖存信號，使顯示器上的數字穩定不變。

2 頻率計的硬件電路設計

本頻率計的數據采集系統的核心元器件是單片機STC89C52，由它完成對待測信號頻率的計數和結果顯示等功能，外部還要有分頻器、顯示器等器件。可分為幾個模塊：放大整形模塊、分頻模塊、單片機系統、數碼管顯示模塊。

（1）放大整形模塊。在本次設計中，輸入信號的幅度要求為0.5V-5V可變時，所測的頻率變化范圍不得大于1%。又因后級電路使用了電壓比較器LM339N，在反向輸入信號采用分壓方式固定了一個2.5V的門限電壓。現在要解決的問題就是將低于2.5V的輸入小信號進行放大，使信號的幅度低于2.5V以下時，其頻率不變。采用脈沖數倍頻測頻法，通過A倍頻，把待測信號頻率放大A倍，以提高測量精度。先將輸入信號經過一個放大電路，放大電路的主要作用是把微弱的電信號放大到負載所需的數值。當輸入信號為正弦波、三角波等多種波形，我們要將各種輸入波形轉化成計數所能用到的方波脈沖波，即此電路為信號整形電路，本文用了一個電壓比較器LM339N實現信號的整形。

（2）分頻模塊。本設計的頻率范圍為1Hz-10MHz，頻率在1Hz-999999Hz內，六位數碼管可顯示，當頻率在999999Hz-10MHz時，數碼管不能夠正確顯示。這時需要將處于999999Hz-10MHz的頻率進行分頻，使測得的處于這段區域的頻率值精確的顯示在數碼管上。我們可進行16分頻即可解決問題。當頻率為最大10M時，進過16分頻后等于625000，可以在數碼管上顯示。在輸入信號為單端的情況下，D觸發器用起來最為方便，其狀態方程為Qn+1＝Qn，其輸出狀態的更新發生在CP脈沖的上升沿，故又稱為上升沿觸發的邊沿觸發器，觸發器的狀態只取決于時鐘到來前D端的狀態，D觸發器的應用很廣，可用作數字信號的寄存，移位寄存，分頻和波形發生等。有很多種型號可供各種用途的需求而選用。在此構成16分頻電路選用了D觸發器。選用了SN74LS74AN的雙上升沿D觸發器構成16分頻器。該電路由2片即4個上升沿觸發的D觸發器連接組成，使各D觸發器均處于計數狀態。分頻后，由于干擾及傳輸線路的分布電容等因素而使信號發生畸變，出現前、后沿變壞或信號電平波形上疊加脈動干擾波等現象。本文用一個施密特觸發器利用它的脈沖整形特性，就可以很好的解決干擾，得到一個方波送到單片機的定時器端。

（3）數碼管顯示電路。在設計中選用的是四位共陰數碼管，實現0-9的數字顯示，數碼管顯示驅動選用了高壓輸出驅動器SN7407N。

3 頻率計的軟件電路設計

方案主要應用了89C52內部的定時器、中斷、計數器和數據處理，其程序設計相應軟件包括：主程序、數據處理、顯示主程序等。利用AT89C51單片機的T0、T1進行定時、計數功能，設置T0為外部計算器，T1為中斷定時器。完成對輸入的信號進行頻率計數，計數的頻率結果通過6位動態數碼管顯示出來。要求能夠對160HZ-1MHZ的信號頻率進行準確計數，計數誤差不超過1%。

（1）定時器T0、計數器T1的工作原理。先對定時器T0、計數器T1進行初始化設置，對一秒內的輸入脈沖進行計數，計數的個數即為頻率。T0為定時器工作方式，定時時間為1S，開中斷。將T1設為計數器工作方式，待測輸入脈沖從P3.5輸入。其計數器處置清零，即TH1=00H，TL1=00H.在1S定時到時，在T0中斷服務程序中，讀取TH1TL1中計數值到內存中的頻率單元。隨后清零TH1TL1，以便下次讀數。

（2）顯示數據處理分析。在將內存單元計得的數進行二-十進制轉換子程序轉換為十進制數，并拆為非壓縮BCD碼后送顯示緩沖區，調用顯示子程序，送數碼管延時顯示頻率值。

4 結語

數字頻率計以單片機STC89C52為核心，采用倍頻測量法，根據頻段設置倍頻系數將低頻輸入信號進過放大、整形、分頻后測量，高頻段用定時、計數的方法測量頻率，采用一個2個四位共陰的數碼管顯示6位數。測量范圍從500Hz-1MHz的正弦波、方波的頻率測量。所制作的頻率計需要外圍器件較少，適宜用于嵌入式系統。該頻率計應用直接測量和相應的數據處理實現頻率測量。