魯錦濤 蘇建加 廖聰裕

中國地質(zhì)大學（武漢）機械與電子信息學院 430074

一種基于stc89c52寬頻帶的數(shù)字頻率計設(shè)計

魯錦濤 蘇建加 廖聰裕

中國地質(zhì)大學（武漢）機械與電子信息學院 430074

本設(shè)計給出了以stc89c52為核心數(shù)字頻率計的設(shè)計方案。整個系統(tǒng)包含了放大、整形、分頻、測頻、按鍵與顯示等模塊，將微弱的正弦型號輸入到89c52單片機內(nèi)進行處理，通過測頻法和測周法相結(jié)合的手段，利用51系列單片機的兩個定時器進行測頻，送入LCD上進行顯示。本測頻計頻率測試范圍達到1HZ—10MHZ，精確度達到了0.1%，實現(xiàn)了高精度的頻率測量。

數(shù)字頻率計；stc89c52單片機

在傳統(tǒng)的電子測量儀器中，頻譜儀可以準確地測量頻率并顯示被測信號的頻譜，但測量速度較慢，無法實時快速的跟蹤捕捉到被測信號頻率的變化。示波器在進行頻率測量時測量精度較低，誤差較大。而頻率計能夠快速準確的捕捉到被測信號頻率的變化，因此，頻率計用途十分廣泛。本設(shè)計給出了一種以stc89c52為核心，采用測頻法和測周法相結(jié)合，實現(xiàn)寬頻帶高精度的簡易數(shù)字頻率計的方案。

1 方案設(shè)計

1.1 理論分析

用單片機設(shè)計頻率計通常有兩種辦法：第一種方法是使用單片機自帶的計數(shù)器對輸入脈沖進行計數(shù)，但直接測低頻信號很容易產(chǎn)生較大誤差；第二種方法是單片機定時器測周長，計算后計算值再由單片機讀取，但測量高頻信號很容易失真。本設(shè)計中采用第一種方法和第二種方法即測頻法和測周法相結(jié)合的方法，低頻測周，高頻測頻。經(jīng)過分析易知輸入的單片機時鐘信號最高頻率不得高于11.0592MHz/24=460.8KHz，對外部脈沖的占空比無特殊要求。對于超過460kHz的信號，本設(shè)計采用分頻電路先將高頻的信號通過計數(shù)器分頻，再由單片機進行處理。

1.2 總體方案設(shè)計

本設(shè)計以89c52單片機為核心，由放大、整形、分頻、測頻、按鍵與顯示等模塊構(gòu)成。

2 系統(tǒng)硬件實現(xiàn)

2.1 放大模塊

由于輸入的信號是比較微弱的信號，所以首先要將微弱的正弦信號放大。同時由于信號的頻率范圍很廣，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算放大器。因此TI公司的OPA2652運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。其700MHz帶寬增益積，典型值1.5mV失調(diào)，能夠很好地達到設(shè)計要求。在大于100KHz高頻信號中通過OPA2652進行兩級放大，放大倍數(shù)最高可達1600倍，而且可以避免高頻信號的衰減。輸入信號的峰值可達到10mV的幅度，頻率可達10MHz。在低于100KHz低頻信號中可采用INA105，可以精確地達到測頻要求。

2.2 比較整形模塊

對正弦波進行頻率測量，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)計采用了兩個施密特整形，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到10MHz以上。一般的比較器只有一個作比較的臨界電壓，若輸入端有噪聲來回多次穿越臨界電壓時，輸出端即受到干擾，其正負狀態(tài)產(chǎn)生不正常轉(zhuǎn)換。因此可以用兩個施密特觸發(fā)器構(gòu)成一個遲滯比較器作為整形電路。施密特觸發(fā)器選用SN74HC14N，它是一款六門集成施密特觸發(fā)器。使用兩個施密特觸發(fā)器可以使整形效果更好。對放大器輸出的信號，可以采用RC濾波電路，對于測量低頻信號（＜100kHz），通過低通濾波器將高頻的信號濾波。

2.3 分頻模塊

由原理分析可知，輸入的時鐘信號最高頻率不能高于11.0592MHz/24=460.8KHz。因此為了測量高頻的信號，可采用74LS90的計數(shù)器實現(xiàn)1 000分頻的分頻電路，將輸入的高頻方波信號1 000分頻，即使100M的信號分頻后也只是1 00KHz，單片機完全能夠識別。通過分頻電路，擴展了測頻的頻帶，使理論上可測的頻率上限達到460.8KHz×1 000=460.8MHz。

2.4 單片機和LCD顯示模塊

本系統(tǒng)控制和測頻的核心主要是由89C52單片機構(gòu)成。選51系列單片機，是因為測頻計本身只需要I/O口不多，定時器和計數(shù)器只需要一個，也不復雜，51完全可以滿足要求，同時還有價格低廉的優(yōu)勢。

LCD選用1602液晶顯示屏，這是因為頻率計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)軟件實現(xiàn)

對于高頻信號，采用測頻法，即使用單片機自帶的計數(shù)器對輸入脈沖進行計數(shù)，從而對頻率進行測量。T0為計數(shù)器，在閘門打開時間內(nèi)計數(shù)；T1作為定時器，控制閘門開關(guān)的打開和關(guān)閉。T0是工作在計數(shù)狀態(tài)下，對輸入的頻率信號進行計數(shù)，計數(shù)脈沖來自外部脈沖。輸入管腳T0或T1，當T0或T1產(chǎn)生負跳變時計數(shù)器加1。

對于低頻信號，采用測周法。當?shù)皖l信號產(chǎn)生一個下降沿時，引發(fā)T1中斷，同時啟動定時器，一直到第二個下降沿開始時關(guān)閉定時器。這樣就可以測出信號周期，經(jīng)過求倒得到頻率，顯示在LCD上，所以T1工作在定時狀態(tài)下，每定時1秒鐘到，就停止T0的計數(shù)，而從T0的計數(shù)單元中讀取計數(shù)的數(shù)值，進行數(shù)據(jù)處理，送到LCD顯示。T1工作在定時狀態(tài)下，最大定時時間約為65ms，所以定時50ms，共定時20次，完成1秒的定時功能。

在設(shè)計中，由于要考慮到對高頻的分頻處理，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

本文設(shè)計的基于stc89c52數(shù)字頻率計，硬件所用元件較少，電路簡單，采用測頻法和測周法相結(jié)合，實現(xiàn)了微弱信號峰值低至10mV，頻率測量范圍1HZ～10MHz，測量誤差高頻≤0.1%，低頻≤0.01%，精度高頻帶寬而且便攜，具有一定的實用價值和意義。

[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)字頻率計的設(shè)計[j]《電子質(zhì)量》2008年07期

[3]錢進,基于AT89C2051的高精度數(shù)字頻率計的設(shè)計[j]機電產(chǎn)品開發(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。）