付貴麗（湖北省漢江崔家營航電樞紐管理處，湖北　武漢　430035）

簡易數(shù)字頻率計(jì)

付貴麗
（湖北省漢江崔家營航電樞紐管理處，湖北武漢430035）

摘要：本設(shè)計(jì)以單片機(jī)AT89C51為核心設(shè)計(jì)了一種簡易數(shù)字頻率計(jì)。它主要由輸入整形電路、單片機(jī)AT89C51和顯示電路等組成。被測信號（以正弦波為例）通過放大、整形電路轉(zhuǎn)換成同頻率的方波脈沖信號作為外部事件，采用單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0進(jìn)行計(jì)數(shù)。其輸出信號輸送至89C51單片機(jī)T0計(jì)數(shù)器對其進(jìn)行計(jì)數(shù)，T1定時(shí)器進(jìn)行定時(shí)。然后通過軟件編程轉(zhuǎn)換為頻率，并通過七段數(shù)碼顯示管顯示被測信號的頻率。經(jīng)測試表明，本設(shè)計(jì)基本上達(dá)到了一定頻率范圍測試的要求。

關(guān)鍵詞：AT89C51；數(shù)字頻率計(jì)；CD4020分頻器；定時(shí)/計(jì)數(shù)器

頻率計(jì)數(shù)器是測量信號頻率的裝置，也可以用來測量方波脈沖的脈寬。

數(shù)字頻率計(jì)即DFM-DigitalFrequency Meter，也稱為數(shù)字頻率表或電子計(jì)數(shù)器。它不僅是電子丈量和頻率儀器儀表專業(yè)范疇中丈量頻率與周期，丈量頻率比和進(jìn)行計(jì)數(shù)、測驗(yàn)的主要儀器，而且要比示波器測頻更便利、經(jīng)濟(jì)的多，特別是現(xiàn)代電子計(jì)數(shù)器商品與組件和具有多種功用的數(shù)字式頻率計(jì)，已廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)體系，通訊廣播設(shè)備，出產(chǎn)過程自動(dòng)化測控設(shè)備帶LED、LCD數(shù)字顯現(xiàn)的多種儀器儀表以及許多的科學(xué)范疇?？梢哉f，伴隨著數(shù)字化技能的開展，電子計(jì)算機(jī)、通訊設(shè)備、音頻和視頻技能進(jìn)入科研、出產(chǎn)、軍事技能和經(jīng)濟(jì)生活范疇，直至家庭和自己，使得電子計(jì)數(shù)器和測頻手段與上述電子設(shè)備銜接為寸步不離的技能。

1　系統(tǒng)概述

在電子技術(shù)中，頻率是最基本的參數(shù)之一，并且與許多電參量的測量方案、測量結(jié)果都有十分密切的關(guān)系，因此，頻率的測量就顯得更為重要。

2　設(shè)計(jì)要求及方案選擇

2.1設(shè)計(jì)任務(wù)和要求

設(shè)計(jì)一個(gè)簡易數(shù)字頻率計(jì)。主要性能指標(biāo)：①波形幅度：Vm=5V；②頻率范圍：0Hz～500kHz；③顯示位數(shù)：4位；④被測信號：正弦波、方波。

2.2方案論證

方案一：系統(tǒng)采用頻率/電壓轉(zhuǎn)換方式進(jìn)行測量，將被測信號經(jīng)F/V轉(zhuǎn)換后，再經(jīng)A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

方案二：體系選用可編程邏輯器件（PLD或ATV2500）作為信號處理及體系操控核心，完結(jié)包含計(jì)數(shù)、門控、顯示等一系列作業(yè)。

方案三：體系選用MCS-51系列單片機(jī)8032作為操控中心，門控信號內(nèi)8032內(nèi)部的計(jì)數(shù)器發(fā)生單位為1μs，因?yàn)閱纹瑱C(jī)的計(jì)數(shù)上限較低，所以需要對高頻信號進(jìn)行硬件體系分頻處理，8032則完結(jié)運(yùn)算、操控及顯示功用。

方案四：系統(tǒng)以單片機(jī)AT89C51為核心，由信號預(yù)處理電路、AT89C51單片機(jī)及顯示電路組成。被測信號通過放大整形轉(zhuǎn)換為方波脈沖信號送至89C51單片機(jī)T0計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，T1定時(shí)器定時(shí)，然后通過軟件編程轉(zhuǎn)換為頻率通過七段數(shù)碼顯示管顯示被測信號的頻率。

2.3方案比較

從以上方案設(shè)計(jì)論證，方案一硬件電路復(fù)雜、靈敏度高、測量范圍小、系統(tǒng)量化誤差大、性價(jià)比低，所以方案不理想；方案二利用了PLD的可編程和大規(guī)模的特點(diǎn)，使電路大為簡化。此路用PLD不能充分發(fā)揮其特點(diǎn)及優(yōu)勢，并且測量精度不夠高，導(dǎo)致系統(tǒng)性能價(jià)格比降低，系統(tǒng)功能擴(kuò)展受到限制，因此也沒有選用此方案；方案三的系統(tǒng)雖然具有極為靈活的可編程性，但是在實(shí)現(xiàn)高頻信號的測量時(shí)電路硬件比較復(fù)雜，并且需要軟件編程。因此，該方案實(shí)現(xiàn)起來較困難，本設(shè)計(jì)沒有采用；方案四基于單片機(jī)技術(shù)開發(fā)出的數(shù)字式頻率計(jì)數(shù)器具有簡單、方便、響應(yīng)速度快、體積小等一系列優(yōu)點(diǎn)，可以及時(shí)、準(zhǔn)確地測量低頻信號的頻率。

經(jīng)過以上比較，方案四能精確的滿足我們設(shè)計(jì)的要求，為此本設(shè)計(jì)采取此方案。

2.4總體方案確定

輸入信號經(jīng)放大、整形轉(zhuǎn)換為方波脈沖信號送至AT89C51單片機(jī)的定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0。T0計(jì)數(shù)器對其進(jìn)行計(jì)數(shù)，同時(shí)內(nèi)部定時(shí)/計(jì)數(shù)器T1進(jìn)行定時(shí)。通過軟件編程將T1設(shè)置為定時(shí)50ms（20次共1s）。當(dāng)定時(shí)時(shí)間到時(shí)，T0停止計(jì)數(shù)，調(diào)用計(jì)算程序計(jì)算后，再調(diào)用顯示子程序送至七段數(shù)碼顯示管顯示被測信號的頻率。

3　硬件設(shè)計(jì)

3.1體系構(gòu)成

所規(guī)劃的頻率計(jì)的丈量規(guī)模為0～500kHz。頻率計(jì)由信號預(yù)處理電路、AT89C51芯片、數(shù)碼顯現(xiàn)電路和體系軟件構(gòu)成。其間信號預(yù)處理電路包括信號擴(kuò)大、波形改換、波形整形和分頻電路。信號預(yù)處理電路中的擴(kuò)大器完成對待測信號的擴(kuò)大，降低對待測信號起伏的需求；波形改換和波形整形電路將擴(kuò)大的信號轉(zhuǎn)變成可與單片機(jī)接口兼容的TTL信號，分頻電路的運(yùn)用不只使單片機(jī)測頻更易于完成，并且也降低了體系的測頻誤差；單片機(jī)經(jīng)過設(shè)置使T0對外部事件計(jì)數(shù)，T1對內(nèi)部定時(shí)。這樣能精確地丈量信號的頻率；頻率顯現(xiàn)有些選用四個(gè)七段數(shù)碼顯現(xiàn)管，節(jié)省了所需單片機(jī)的口線和外圍器件，簡化了顯現(xiàn)有些的編程操控。

3.2信號預(yù)處理電路

它由三級電路構(gòu)成，榜首級為由開關(guān)三極管構(gòu)成的零偏置擴(kuò)大器，三極管選用開關(guān)三極管，以確保擴(kuò)大器具有杰出的高頻效應(yīng)。當(dāng)輸入信號為零或負(fù)電壓時(shí)，三極管截止，輸出高電平；當(dāng)輸入信號為正電壓時(shí)，三極管導(dǎo)通，輸出電壓跟著輸入電壓的上升而降低，這使得頻率計(jì)既能夠丈量恣意方波信號的頻率，也能夠丈量正弦波信號的頻率。擴(kuò)大器的擴(kuò)大功能降低了對待測信號起伏的需求，完成了體系能對恣意大于0.5V的正弦波和脈沖信號進(jìn)行丈量。第二級選用帶施密特觸發(fā)器的反相器CT74LS14，它用于把擴(kuò)大器生成的單相脈沖轉(zhuǎn)換成與CMOS電平兼容的方波信號。第三級選用14位二進(jìn)制異步計(jì)數(shù)器CD4020，第三級輸出的方波加到CD4020的CLK端口，Q12端輸出的信號輸入到單片機(jī)，從而為丈量信號的周期供給基礎(chǔ)。別的，為使CD4020正常作業(yè)，它的RST端有必要經(jīng)過電阻接地。

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