高頻數字頻率計的設計

沈陽工學院信息與控制學院 田楊楊 賈 婷 趙樹禮 張 琪

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高頻數字頻率計的設計

沈陽工學院信息與控制學院 田楊楊 賈 婷 趙樹禮 張 琪

【摘要】本文設計了一種以單片機STC12C5201AD為核心的數字頻率計,其中硬件部分主要是由整形電路、單片機最小系統和顯示單元組成的，軟件設計是由一些功能模塊來實現的。此外，通過控制單片機的各項功能和運算操作能力進而來實現周期和頻率間的計數和數據的顯示。本設計中的頻率計具有電路結構簡單、成本低、測量方便、擴展能力強，適用范圍廣等特點,適合測量低頻信號，能基本滿足一般情況下的需求。另外，由于本設計采用了模塊化的設計方法，提高了測量頻率的范圍。

【關鍵詞】頻率測量；頻率計；單片機；LCD顯示

1　系統設計

1.1總體設計

本頻率計數器嚴格地按照f=N/T公式進行測頻。由于數字測量的離散性，被測頻率在計數器中所記進的脈沖數可有正一個或負一個脈沖的±1量化誤差，在不計其他誤差影響的情況下，測量精度將為：&(fA)=1/N。應當指出，測量頻率時所產生的誤差是由N和T兩個參數所決定的，一方面是單位時間內計數脈沖個數越多時，精度越高，另一方面T越穩定時，精度越高。為了增加單位時間內計數脈沖的個數，一方面可在輸入端將被測信號倍頻，另一方面可增加T來滿足，為了增加T的穩定度，只需提高晶體振蕩器的穩定度和分頻電路的可靠性就能達到。上述表明，在頻率測量時，被測信號頻率越高，測量精度越高。其總體原理框圖如圖1所示。

圖1　系統結構流程圖

1.2單元電路設計

1.2.1放大電路

本系統設計的放大整形電路如圖2所示。輸入信號首先經高精度大帶寬運算放大器OPA690放大。

1.2.2整形電路

本系統低功耗精密比較器MAX913整形電路如圖3所示，整形電路提高了系統測量精度和靈敏度。最后輸出的矩形波信號送入頻率測量電路。

1.2.3分頻電路

本系統設計中分頻電路如圖4所示。分頻器合理地分割各單元的工作頻段，進行各單元功率分配，使各單元之間具有恰當的相位關系以減少各單元在工作中出現的聲干涉失真。

圖2　放大電路圖

圖3　整形電路

圖4　分頻電路

1.2.4單片機

本系統采用STC12C5201AD單片機，此系列單片機是宏晶科技生產的單時鐘/機器周期(1T)的單片機，是高速/低功耗/超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統8051，但速度快8-12倍。STC12C5201AD系列工作電壓：5.5V-3.3V（5V單片機）STC12LE5201AD系列工作電壓：3.6V-2.2V（3V單片機），工作頻率范圍：0-35MHz，相當于普通8051的0-20MHz內部集成MAX810專用復位電路，2路PWM，8路高速8位A/D轉換(300K/S)，針對電機控

制，強干擾場合。單片機電路如圖5所示：

圖5　單片機電路圖

2　系統測試

測試1：輸入信號為正弦波時，幅度值為300mV時不同頻率以及實際測量值的對比。

測試2：輸入信號為正弦波時，且幅度值為0.9V時不同頻率以及實際測量值的對比。

測試3：輸入信號為方波時，且幅度值為500mV時不同頻率以及實際測量值的對比。

3　結論

由于系統架構設計合理，功能電路實現較好，性能優良、穩定，較好地達到了題目要求的基本要求以及部分發揮要求。1)正弦波頻率范圍在1—20M之間，相對誤差絕對值小于萬分之一。2)被測電壓有效值在140mV—1V之間。3)指示燈表示單片機是否正常工作。

參考文獻

[1]謝自美.電子線路設計.實驗.測試[M].武漢:華中理工大學出版社,2000.

[2]閻石.數字電子技術基礎[M].北京:高等教育出版社,2006.

[3]付家才.電子實驗與實踐[M].北京:高等教育出版社,2004.

賈婷，女，講師，現供職于沈陽工學院信息與控制學院。

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