魯錦濤 蘇建加 廖聰裕

中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）機(jī)械與電子信息學(xué)院 430074

一種基于stc89c52寬頻帶的數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì)

魯錦濤 蘇建加 廖聰裕

中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）機(jī)械與電子信息學(xué)院 430074

本設(shè)計(jì)給出了以stc89c52為核心數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)方案。整個(gè)系統(tǒng)包含了放大、整形、分頻、測(cè)頻、按鍵與顯示等模塊，將微弱的正弦型號(hào)輸入到89c52單片機(jī)內(nèi)進(jìn)行處理，通過(guò)測(cè)頻法和測(cè)周法相結(jié)合的手段，利用51系列單片機(jī)的兩個(gè)定時(shí)器進(jìn)行測(cè)頻，送入LCD上進(jìn)行顯示。本測(cè)頻計(jì)頻率測(cè)試范圍達(dá)到1HZ—10MHZ，精確度達(dá)到了0.1%，實(shí)現(xiàn)了高精度的頻率測(cè)量。

數(shù)字頻率計(jì)；stc89c52單片機(jī)

在傳統(tǒng)的電子測(cè)量?jī)x器中，頻譜儀可以準(zhǔn)確地測(cè)量頻率并顯示被測(cè)信號(hào)的頻譜，但測(cè)量速度較慢，無(wú)法實(shí)時(shí)快速的跟蹤捕捉到被測(cè)信號(hào)頻率的變化。示波器在進(jìn)行頻率測(cè)量時(shí)測(cè)量精度較低，誤差較大。而頻率計(jì)能夠快速準(zhǔn)確的捕捉到被測(cè)信號(hào)頻率的變化，因此，頻率計(jì)用途十分廣泛。本設(shè)計(jì)給出了一種以stc89c52為核心，采用測(cè)頻法和測(cè)周法相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)寬頻帶高精度的簡(jiǎn)易數(shù)字頻率計(jì)的方案。

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 理論分析

用單片機(jī)設(shè)計(jì)頻率計(jì)通常有兩種辦法：第一種方法是使用單片機(jī)自帶的計(jì)數(shù)器對(duì)輸入脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，但直接測(cè)低頻信號(hào)很容易產(chǎn)生較大誤差；第二種方法是單片機(jī)定時(shí)器測(cè)周長(zhǎng)，計(jì)算后計(jì)算值再由單片機(jī)讀取，但測(cè)量高頻信號(hào)很容易失真。本設(shè)計(jì)中采用第一種方法和第二種方法即測(cè)頻法和測(cè)周法相結(jié)合的方法，低頻測(cè)周，高頻測(cè)頻。經(jīng)過(guò)分析易知輸入的單片機(jī)時(shí)鐘信號(hào)最高頻率不得高于11.0592MHz/24=460.8KHz，對(duì)外部脈沖的占空比無(wú)特殊要求。對(duì)于超過(guò)460kHz的信號(hào)，本設(shè)計(jì)采用分頻電路先將高頻的信號(hào)通過(guò)計(jì)數(shù)器分頻，再由單片機(jī)進(jìn)行處理。

1.2 總體方案設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)以89c52單片機(jī)為核心，由放大、整形、分頻、測(cè)頻、按鍵與顯示等模塊構(gòu)成。

2 系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)

2.1 放大模塊

由于輸入的信號(hào)是比較微弱的信號(hào)，所以首先要將微弱的正弦信號(hào)放大。同時(shí)由于信號(hào)的頻率范圍很廣，由1Hz—10MHz，因此需要選擇具有很高的寬帶增益積和極大的電壓擺率的運(yùn)算放大器。因此TI公司的OPA2652運(yùn)算放大器做放大電路比較適合。

TI公司的OPA2652具有高寬帶增益積、高擺率、低噪聲等優(yōu)點(diǎn)。其700MHz帶寬增益積，典型值1.5mV失調(diào)，能夠很好地達(dá)到設(shè)計(jì)要求。在大于100KHz高頻信號(hào)中通過(guò)OPA2652進(jìn)行兩級(jí)放大，放大倍數(shù)最高可達(dá)1600倍，而且可以避免高頻信號(hào)的衰減。輸入信號(hào)的峰值可達(dá)到10mV的幅度，頻率可達(dá)10MHz。在低于100KHz低頻信號(hào)中可采用INA105，可以精確地達(dá)到測(cè)頻要求。

2.2 比較整形模塊

對(duì)正弦波進(jìn)行頻率測(cè)量，首先要將正弦波整形成方波。由于頻率范圍從1Hz到10MHz，本設(shè)計(jì)采用了兩個(gè)施密特整形，能夠很好地將正弦波整成方波，并且只要輸入電壓合適，施密特能夠工作的頻率范圍能夠達(dá)到10MHz以上。一般的比較器只有一個(gè)作比較的臨界電壓，若輸入端有噪聲來(lái)回多次穿越臨界電壓時(shí)，輸出端即受到干擾，其正負(fù)狀態(tài)產(chǎn)生不正常轉(zhuǎn)換。因此可以用兩個(gè)施密特觸發(fā)器構(gòu)成一個(gè)遲滯比較器作為整形電路。施密特觸發(fā)器選用SN74HC14N，它是一款六門(mén)集成施密特觸發(fā)器。使用兩個(gè)施密特觸發(fā)器可以使整形效果更好。對(duì)放大器輸出的信號(hào)，可以采用RC濾波電路，對(duì)于測(cè)量低頻信號(hào)（＜100kHz），通過(guò)低通濾波器將高頻的信號(hào)濾波。

2.3 分頻模塊

由原理分析可知，輸入的時(shí)鐘信號(hào)最高頻率不能高于11.0592MHz/24=460.8KHz。因此為了測(cè)量高頻的信號(hào)，可采用74LS90的計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)1 000分頻的分頻電路，將輸入的高頻方波信號(hào)1 000分頻，即使100M的信號(hào)分頻后也只是1 00KHz，單片機(jī)完全能夠識(shí)別。通過(guò)分頻電路，擴(kuò)展了測(cè)頻的頻帶，使理論上可測(cè)的頻率上限達(dá)到460.8KHz×1 000=460.8MHz。

2.4 單片機(jī)和LCD顯示模塊

本系統(tǒng)控制和測(cè)頻的核心主要是由89C52單片機(jī)構(gòu)成。選51系列單片機(jī)，是因?yàn)闇y(cè)頻計(jì)本身只需要I/O口不多，定時(shí)器和計(jì)數(shù)器只需要一個(gè)，也不復(fù)雜，51完全可以滿足要求，同時(shí)還有價(jià)格低廉的優(yōu)勢(shì)。

LCD選用1602液晶顯示屏，這是因?yàn)轭l率計(jì)需要的顯示部分只是頻率的大小，因此1602完全可以滿足顯示的要求。

3 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

對(duì)于高頻信號(hào)，采用測(cè)頻法，即使用單片機(jī)自帶的計(jì)數(shù)器對(duì)輸入脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而對(duì)頻率進(jìn)行測(cè)量。T0為計(jì)數(shù)器，在閘門(mén)打開(kāi)時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)；T1作為定時(shí)器，控制閘門(mén)開(kāi)關(guān)的打開(kāi)和關(guān)閉。T0是工作在計(jì)數(shù)狀態(tài)下，對(duì)輸入的頻率信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)脈沖來(lái)自外部脈沖。輸入管腳T0或T1，當(dāng)T0或T1產(chǎn)生負(fù)跳變時(shí)計(jì)數(shù)器加1。

對(duì)于低頻信號(hào)，采用測(cè)周法。當(dāng)?shù)皖l信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)下降沿時(shí)，引發(fā)T1中斷，同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器，一直到第二個(gè)下降沿開(kāi)始時(shí)關(guān)閉定時(shí)器。這樣就可以測(cè)出信號(hào)周期，經(jīng)過(guò)求倒得到頻率，顯示在LCD上，所以T1工作在定時(shí)狀態(tài)下，每定時(shí)1秒鐘到，就停止T0的計(jì)數(shù)，而從T0的計(jì)數(shù)單元中讀取計(jì)數(shù)的數(shù)值，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，送到LCD顯示。T1工作在定時(shí)狀態(tài)下，最大定時(shí)時(shí)間約為65ms，所以定時(shí)50ms，共定時(shí)20次，完成1秒的定時(shí)功能。

在設(shè)計(jì)中，由于要考慮到對(duì)高頻的分頻處理，因此在顯示模塊的處理中應(yīng)該要考慮利用軟件的方法將檔位分為三個(gè)檔，增加KHz檔，這樣就可以比較好地顯示出分頻后的頻率。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的基于stc89c52數(shù)字頻率計(jì)，硬件所用元件較少，電路簡(jiǎn)單，采用測(cè)頻法和測(cè)周法相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了微弱信號(hào)峰值低至10mV，頻率測(cè)量范圍1HZ～10MHz，測(cè)量誤差高頻≤0.1%，低頻≤0.01%，精度高頻帶寬而且便攜，具有一定的實(shí)用價(jià)值和意義。

[1]（日）松井邦彥,OP放大器應(yīng)用技巧100例[M],北京：科學(xué)出版社,2006

[2]楊輝媛,譚偉杰.楊紅海；基于AT89C52單片數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)[j]《電子質(zhì)量》2008年07期

[3]錢(qián)進(jìn),基于AT89C2051的高精度數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)[j]機(jī)電產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新 2007年01期

魯錦濤，男，湖北省黃岡市蘄春縣人，從事通信工程研究。）