简易数字频率计的设计

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一、概述

在电子技术中，频率是最基本的参数之一，并且与许多电参量的测量方案、测量结果都有十分密切的关系，因此，频率的测量就显得更为重要。测量频率的方法有多种,其中电子计数器测量频率具有精度高、使用方便、测量迅速，以及便于实现测量过程自动化等优点，是频率测量的重要手段之一。电子计数器测频有两种方式：一是直接测频法，即在一定闸门时间内测量被测信号的脉冲个数；二是间接测频法，如周期测频法。直接测频法适用于高频信号的频率测量，间接测频法适用于低频信号的频率测量。本次设计的数字频率计以AT89C52为核心，在软件编程中采用的是C51语言，测量采用了多周期同步测量法，它避免了直接测量法对精度的不足，同时消除了直接与间接相结合方法，需对被测信号的频率与中介频率的关系进行判断带来的不便，能实现较高的等精度频率和周期的测量。

二、硬件电路设计方案

多周期同步测量法的基本思路是使被测信号与闸门之间实现同步化，从而从根本上消除了在闸门时间内对被测信号进行计数时的±1量化误差，使测量精度大大提高。倒数计数器就是基于该方法而设计出来的一种具有创新思想的测频、测周期的仪器。它采用多周期同步测量法，即测量输入多个（整数个）周期值，再进行倒数运算而求得频率。其优点是：可在整个测频范围内获得同样高的测试精度和分辨率。

（一）系统级方案设计

在选择多周期同步等精度测量法的情况下，按照自顶向下的设计方法，可以画出该频率计的系统级框图，如图1所示。根据测周期、频率的原理，可以将总体框图分为三个子系统：输入通道（即前置整形电路）该部分主要由模拟电路组成的；多周期同步等精度频率、周期的测量、控制及功能切换（中间部分），该部分基本上由数字硬件电路组成；单片机及外围电路，包括单片机、数码显示。

图 1 频率计的系统方框图

（二）子系统设计

1．输入通道的设计。输入通道是由前置放大器和整形器组成的，所以要对前置放大器的增益和带宽指标进行估计。为了能准确测量信号，将输入信号经过一个放大整形电路。其具体实施方案为：将输入信号经过LM358运放放大，再通过74LS132整形，此时的信号还不能直接送入单片机，这是因为在硬件上CPU对INT0和INT1引脚的信号不能控制，解决这个问题要通过硬件，再配合软件来解决。

2．预置闸门时间发生电路设计。闸门时间的确定，可以先由一个555定时器产生一个脉冲信号，将555产生的脉冲信号送入到74LS90十进制计数器当中，由于74LS90具有二-五进制混合计数的功能，所以可以用它来实现五进制计数，将74LS90的输出接到3—8线译码器74LS138的输入端，再将译码器的输出端接上五个发光二极管，这样就可以实现硬件上的闸门时间控制。但是考虑到硬件实现上的复杂性，可以通过软件上来实现，就是将五个发光二极管直接接到单片机的P1口由软件上来实现，通过按键来改变它的闸门时间。

3．数码显示电路的设计。该部分电路是由单向八位移位寄存器74LS164和数码管组成的。考虑到精度的问题，取五位计数值，采用五片74LS164级联，同时还要显示频率和周期的单位，所以还需再级联一块74LS164，在74LS164的输出端接六个单位指示灯，分别表示周期频率的三个不同的单位数量级，即周期单位s，ms，μs和频率单位Hz，KHz及MHz。移位寄存器的时钟信号是由单片机的串行输出口TXD脚控制。

三、软件设计

（一）软件主程序流程图(见图2）

（二）子程序的设计

1．键盘中断服务子程序。因该频率计的测量项目较多，所以在系统初始化时，将默认测量项目设置为测频，且预置闸门时间设置为1ms。具体做法就是在主程序的系统初始化部分，将测频选择键的键值以及预置闸门时间设置代码写入单片机RAM单元中去。这样开机后即使用户没有选择任何测量项目键，也能进行频率测量。

2．软件计数器子程序。该频率计所需要的不同闸门预置时间信号是由单片机产生的。由于预置闸门时间的范围很宽，最大值为10s，最小值为1ms，仅用单片机中的定时器硬件是不能实现的，需采用软硬件相结合的方法来实现。其具体实现方案为将C/T0定时器/计数器设置为由引脚高电平启动的方式1定时器T0，初始化将其初值设为0.该计数器的启动过程如下：主程序首先将单片机P1.6脚置为高电平（逻辑1）发出预置闸门信号，该信号经同步电路而产生高电平的同步门信号，从而使单片机引脚变为高电平，C/T0定时器中的计数器就被启动开始计数。

3．数据处理子程序。当事件计数器和时间计数器的计数值NA，NB被读到单片机中后，通过调用数据处理子程序，根据过去读入并保存在单片机RAM单元中的测量项目的键值，预置闸门值代码，判断出所要测量的参数项目，对计数值NA，NB进行相应的处理，求出所测参数的值和单位，最后应将参数值转换为十进制数，再转换为驱动LED数码显示器的段码（每位包含5个数字段码和1个小数点）以及驱动三个单位符号指示灯之一的位码，作为显示子程序的输入数据，存放在9个RAM单元组成的显示缓冲区中。对计数值NA，NB的处理运算要用到除法和乘法，为了提高运算精度，应当采用浮点运算。显然，采用C语言来编写这些运算程序可大大提高编程效率。

四、结论

本系统采用大规模集成电路设计，用C51语言编程，实现了对不同波形、不同频率信号的测量。在测试时应根据被测信号频率的不同，选择不同的预置闸门时间。根据测试结果，在低频端测量误差<0.01%，在高频端测量误差<0.001%，达到设计要求。对误差进行分析，主要是时间计数器B没有经过同步门，存在±1量化误差，这也是误差存在的主要来源。