基于單片機的數字頻率計的設計和仿真

宋 璐，衛亞博，馮艷平

（1.陜西中醫藥大學 醫學技術學院，陜西 咸陽712046；2.平頂山學院 河南 平頂山 467000；3.鄭州職業技術學院 河南 鄭州450121）

基于單片機的數字頻率計的設計和仿真

宋 璐1，衛亞博2，馮艷平3

（1.陜西中醫藥大學 醫學技術學院，陜西 咸陽712046；2.平頂山學院 河南 平頂山 467000；3.鄭州職業技術學院 河南 鄭州450121）

為了能夠精確測量頻率等參數，提出了一種基于單片機的數字頻率計的設計方法，以AT89S51單片機作為系統的主控芯片，待測信號經過放大整形電路和分頻后，輸入到單片機中進行采樣測量，最后通過顯示和存儲電路將結果顯示并存儲起來，可以測量待測信號的頻率、周期、脈沖寬度和占空比等參數。并基于Multisim仿真軟件設計了仿真電路，結合keil軟件進行了軟硬聯調，結果表明該電路能精確的測量待測信號的各種參數，頻率測量誤差低于0.05%，測量范圍為1 Hz~1 MHz，仿真效果良好。

頻率計；單片機；Multisim；仿真

頻率作為電子電工學里非常重要的一個參數，是對電壓、電流和電阻等參數的補充。同時由于頻率信號抗干擾能力強，且易獲得較高的測量精度，所以在實際應用中可以把大量的待測量先由傳感器轉換為脈沖信號，然后通過測量頻率的方法，最后經過一定的計算處理來實現[1]。

傳統的頻率計大多由組合邏輯電路和時序邏輯電路所構成，結構復雜，測量精度低，應用范圍有限[2]。文獻[3]給出了一種基于單片機和FPGA的等精度頻率計的設計方法，具有測量速度快，范圍寬，可靠性高等優點，但成本較高，不利于推廣。為此，設計了一種基于51單片機的數字頻率計，采用定時和計數的方法測量頻率，并設計了相應的單片機程序。

1 硬件電路設計

設計的數字頻率計的電路框圖如圖1所示，主要包括以下5個組成部分：放大與整形電路、分頻電路、單片機主控電路、顯示及存儲電路和電源電路。

1.1 放大與整形電路

放大與整形電路示意圖如圖2所示。待測信號首先通過高精度大帶寬運算放大器OPA690進行放大，采用同相比例的接法，可以通過調整電阻大小來改變電路的放大倍數。放大后的信號再利用高速精密電壓比較器AD8561進行整形，AD8561是美國AD公司生產的低功耗7 ns精密比較器[4]，具有單獨的輸入和輸出部分，非常適合于信號整形電路。經過放大整形電路后，待測信號會變為幅度適中、頻率相等的方波信號，以便后端單片機進行處理。

圖1 頻率計硬件框圖

圖2 放大與整形電路

1.2 分頻電路

放大與整形電路輸出的方波信號若為高頻信號，則需經過分頻電路之后，才能送入到單片機中再進行測量[5]。分頻電路如圖3所示，核心器件為12位二進制串行計數/分頻器CD4040，所有計數器均為主從觸發器，計數器在時鐘下降沿進行計數，CR為高電平時，對計數器進行清零，它有12個分頻輸出端，最小可得2（21）分頻，最大可得4 096（212）分頻，完全滿足電路的需求。

分頻后的信號再通過8選1數據選擇器74LS151，利用單片機控制地址碼來選擇分頻系數，由于CD4040低位分頻系數過小，僅選擇高八位作為74LS151的數據輸入，從數據選擇器輸出的信號可直接送入單片機進行測量。

1.3 其他電路

單片機主控電路的核心器件為AT89S51，是低功耗、高性能的8位單片機[6]，采用了CMOS工藝和ATMEL公司高密度NVRAM（非易失性隨機存儲器），片內帶有一個4KB的FLASH FPROM，兼容標準8051指令系統及引腳，集成FLASH程序存儲器，既可在線編程（ISP），也可以用傳統方法進行編程[7]，具有集成度高、系統簡單、價格便宜等優點。

經過放大整形和分頻電路后的待測信號，輸入到AT89S51的外部中斷端，由單片機內部定時器測量數據并輸出到顯示及存儲電路中。顯示及存儲電路用來顯示單片機測量出來的頻率，并可以把數據保存下來。

圖3 分頻電路

2 基于Multisim的仿真系統的設計

Multisim仿真軟件是由加拿大Interactive Image Technologies公司開發的一種基于SPICE工業標準的EDA軟件，它的元件庫提供了數千種電路元器件供實驗選用，虛擬測試儀器儀表種類齊全，可以對模擬、數字和模擬/數字混合電路進行仿真，具有界面形象、易學易用、采用圖形方式創建電路等特點[8-11]。

2.1 仿真系統電路設計

打開Multisim軟件，點擊文件—新建—設計，然后根據需要設計Multisim仿真電路，并采用keil軟件進行軟硬聯調[12]。設計好的單片機仿真電路如圖4所示，仿真電路采用AT89S51單片機做為主控芯片，分頻電路的輸出信號從單片機的外部中斷0端輸入，開啟內部定時器，在一定的時間內由外部中斷0檢測方波信號的下降沿的數目，從而測量出待測信號的頻率。占空比和脈沖寬度的測量可以通過單片機內部的定時器來實現，采用定時器記錄待測信號一個周期內上升沿和下降沿的時刻，然后再使用各種運算將占空比和脈沖寬度計算出來，具體可參考文獻[13]，這里不再贅述。

仿真電路設計完成后將編寫好的keil C51程序導入到Multisim軟件中（軟件設計可參照文獻[14]），即可在Schematic Capture環境下點擊Run按鍵，觀察電路仿真結果，或者也可以利用MCU Module全面的高級調試功能，詳細了解仿真過程中程序的運行情況[15]。

圖4 基于Multisim的單片機仿真電路

2.2 軟件設計

單片機控制程序流程圖如圖5所示，單片機上電后，系統進行初始化，首先由單片機判斷待測信號是否是方波信號，若不是方波信號，則進入到整形電路中將其他類型的信號轉換為方波信號，再進行測量；若為方波信號，則直接送入到頻率測量模塊。在頻率測量模塊中，由單片機判斷輸入信號頻率的高低，從而自動選擇合適的分頻系數來實現對待測信號的分頻處理，最后將測量結果送LCD顯示輸出。

一次測量結束之后，程序不斷循環，持續判斷，若帶測信號頻率發生變化，則LCD顯示器的顯示的結果也隨之變化，從而達到動態檢測待測信號各項電參數的功能。

2.3 仿真結果

數字頻率計的最終測試結果如表1所示，可以看出在各種不同信號類型和頻段的情況下，對頻率、周期和占空比的測量誤差均不高于0.05%，實現了設計目標。

表1 數字頻率計測試結果

圖5 單片機控制程序流程圖

3 結束語

利用Multisim作為仿真平臺，基于AT89C51單片機設計的數字頻率計，能夠測量不同類型的信號，實現頻率、周期、脈沖寬度和占空比等參數的測量，精度能夠達到預期的要求，采用LCD顯示各個測量出來的參數，且設計有存儲電路，可將數據批量存儲起來，具有體積小、結構簡單、成本低、性能高等特點，適用于各種測量環境。

[1]金寧寧，武燕，王燕霜．基于AVR單片機輸入捕捉功能的頻率計設計[J].計算機技術與應用，2010，30（3）:38-40．

[2]彭道林．基于AVR單片機的自動準同期裝置頻率測量方法[J].吉首大學學報:自然科學版，2009，28（3）:76-78．

[3]吳海明，王偉．基于單片機與FPGA的等精度頻率計設計[J].兵工自動化，2009，28（3）:79-80．

[4]韓宇宏，楊樹，馬海強．量子通信中單光子探測器的實驗研究[J].應用光學，2010，31（2）:232-236．

[5]王捷，艾紅．數字頻率計分頻電路的設計[J].計算機測量與控制，2003，11（2）:156-160．

[6]郭宏亮．PC機與AT89C51單片機的串行通信接口設計[J].平原大學學報，2007，24（3）:117-119．

[7]薛玲，孫曼，張志會，等．基于單片機AT89S51的溫濕度控制儀[J].化工自動化及儀表，2010，37（7）: 66-69．

[8]張志友．Multisim在電工電子課程教學中的典型應用[J].實驗技術與管理，2012，29（4）:108-110．

[9]任駿原．Multisim在觸發器工作波形分析中的應用[J].現代電子技術，2010，15:184-186．

[10]付楊．Multisim仿真在電工電子實驗中的應用[J].實驗室研究與探索，2011，30（4）:120-122．

[11]鄧維禮，秦嵐，劉俊，等．基于Multisim的準靜態電荷放大器仿真分析[J].國外電子測量技術，2009，28（4）:24-26．

[12]王超，楊蓮紅，楊奇．聯合Keil C51在Multisim10平臺下實現單片機的仿真[J].昌吉學院學報，2012（2）: 75-80．

[13]凌振寶，葉劍峰，孫正光．多功能數字頻率計的設計與研究[J].吉林大學學報：信息科學版，2011，7（4）:376-382．

[14]肖春芳，韓緒鵬．基于單片機控制的數字頻率計設計[J].電子設計工程，2012，20（1）:140-143．

[15]張錚．Multisim在單片機系統仿真中的應用[J].現代電子技術，2008，31（10）:174-176．

Design and simulation of digital frequency meter based on single chip microcomputer

SONG Lu1，WEI Ya-bo2，FENG Yan-ping3
（1.Department of Medical Technology，Shaanxi University of Chinese Medicine，Xianyang 712046，China；2.Pingdingshan College，Pingdingshan 467000，China；3.Zhengzhou Technical College，Zhengzhou 450121，China）

In order to accurately measure parameters such as frequency，This paper provides a design method of digital frequency meter based on single chip microcontroller.After amplification and shaping circuit and frequency dividing circuit，the signal is sampled by AT89S51 which is the main control chip of the system.And the measure results are displayed and stored.The system can measure many parameters such as frequency、period、pulse width and duty cycle.Simulation circuit was also designed base on the Multisim simulation software.Finally finish the software and hardware joint debugging combined with the keil software.Result show that the circuit can measure all parameters accurately，and the frequency error is less than 0.05%，and the measuring of 1 Hz~1 MHz.The simulation result is good.

frequency meter；single chip microcontroller；Multisim；simulation

TN02

：A

：1674－6236（2017）01-0140-03

2015-12-02稿件編號：201512021

宋 璐（1984—），女，陜西咸陽人，碩士研究生，講師。研究方向：大學物理和電子教學以及實驗。