強(qiáng)波

摘 要:頻率測(cè)量在科技研究和實(shí)際應(yīng)用中的作用日益重要。傳統(tǒng)的頻率計(jì)通采用組合電路和時(shí)序電路等大量的硬件電路構(gòu)成,產(chǎn)品不但體積較大,運(yùn)行速度慢,而且測(cè)量低頻信號(hào)時(shí)不宜直接使用。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(cè)量方案、測(cè)量結(jié)果都有十分密切的關(guān)系,因此頻率的測(cè)量就顯得更為重要。測(cè)量頻率的方法有多種,其中電子計(jì)數(shù)器測(cè)量頻率具有精度高、使用方便、測(cè)量迅速,以及便于實(shí)現(xiàn)測(cè)量過程自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn),是頻率測(cè)量的重要手段之一。本文闡述了用ATmega16單片機(jī)與相關(guān)硬件和軟件設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)字頻率計(jì)的過程。

關(guān)鍵詞:數(shù)字頻率計(jì)單片機(jī)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào):TP27 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1674-098X(2012)07(c)-0037-01

頻率測(cè)量方法的優(yōu)化越來越受到重視。頻率計(jì)的基本原理是用一個(gè)頻率穩(wěn)定度高的頻率源作為基準(zhǔn)時(shí)鐘,對(duì)比測(cè)量其他信號(hào)的頻率。通常情況下計(jì)算每秒內(nèi)待測(cè)信號(hào)的脈沖個(gè)數(shù),此時(shí)我們稱閘門時(shí)間為1s。閘門時(shí)間也可以大于或小于1s。閘門時(shí)間越長(zhǎng),得到的頻率值就越準(zhǔn)確,但閘門時(shí)間越長(zhǎng)則沒測(cè)一次頻率的間隔就越長(zhǎng)。閘門時(shí)間越短,測(cè)的頻率值刷新就越快,但測(cè)得的頻率精度就受影響。本文。數(shù)字頻率計(jì)是用數(shù)字顯示被測(cè)信號(hào)頻率的儀器,被測(cè)信號(hào)可以是正弦波,方波或其它周期性變化的信號(hào)。如配以適當(dāng)?shù)膫鞲衅?可以對(duì)多種物理量進(jìn)行測(cè)試,比如機(jī)械振動(dòng)的頻率,轉(zhuǎn)速,聲音的頻率以及產(chǎn)品的計(jì)件等等。因此,數(shù)字頻率計(jì)是一種應(yīng)用很廣泛的儀器。

1 電子式測(cè)量頻率的方法

利用電子計(jì)數(shù)式測(cè)量頻率具有精度高、測(cè)量范圍寬、顯示醒目直觀、測(cè)量迅速,以及便于實(shí)現(xiàn)測(cè)量過程自動(dòng)化等一系列優(yōu)點(diǎn),下面將重點(diǎn)介紹電子計(jì)數(shù)式測(cè)量頻率的幾種方法。

(1)脈沖數(shù)定時(shí)測(cè)頻法(M法):此法是記錄在確定時(shí)間Tc內(nèi)待測(cè)信號(hào)的脈沖個(gè)數(shù)Mx,則待測(cè)頻率為:

Fx=Mx/Tc

顯然,時(shí)間Tc為準(zhǔn)確值,測(cè)量的精度主要取決于計(jì)數(shù)Mx的誤差。其特點(diǎn)在于:測(cè)量方法簡(jiǎn)單;測(cè)量精度與待測(cè)信號(hào)頻率和門控時(shí)間有關(guān),當(dāng)待測(cè)信號(hào)頻率較低時(shí),誤差較大。

(2)脈沖周期測(cè)頻法(T法):此法是在待測(cè)信號(hào)的一個(gè)周期Tx內(nèi),記錄標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)變化次數(shù)Mo。這種方法測(cè)出的頻率是:

Fx=Mo/Tx

此法的特點(diǎn)是低頻檢測(cè)時(shí)精度高,但當(dāng)高頻檢測(cè)時(shí)誤差較大。

(3)脈沖數(shù)倍頻測(cè)頻法(AM法):此法是為克服M法在低頻測(cè)量時(shí)精度不高的缺陷發(fā)展起來的。通過A倍頻,把待測(cè)信號(hào)頻率放大A倍,以提高測(cè)量精度。其待測(cè)頻率為:

Fx=Mx/ATo

其特點(diǎn)是待測(cè)信號(hào)脈沖間隔減小,間隔誤差降低;精度比M法高A倍,但控制電路較復(fù)雜。

2 設(shè)計(jì)方案確定

系統(tǒng)采用ATmega16單片機(jī),門控信號(hào)由T0內(nèi)部的計(jì)數(shù)定時(shí)器產(chǎn)生,單位為1ms。由于單片機(jī)的計(jì)數(shù)頻率上限較低,所以需對(duì)高頻被測(cè)信號(hào)進(jìn)行硬件欲分頻處理,最后使整個(gè)電路完成運(yùn)算、控制及顯示功能。由于使用了單片機(jī),使整個(gè)系統(tǒng)具有極為靈活的可編程性,能方便地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行功能擴(kuò)展與改進(jìn)。

3 各部件功能及特點(diǎn)

ATmega16是一個(gè)基于增強(qiáng)地AVRRISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。由于其具有先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間,所以ATmega16的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1MIPS/MHZ,從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。

AVR內(nèi)核具有豐富的指令集和32個(gè)通用工作寄存器。所有的寄存器都直接與算邏單元(ALU)相連接,使得一條指令可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)同時(shí)訪問兩個(gè)獨(dú)立的寄存器。這種結(jié)構(gòu)大大提高了代碼效率,并且具有比普通的CISC微控制器最高至10倍的數(shù)據(jù)吞吐率。

ATmega16有如下特點(diǎn):16K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程的Flash(具有同時(shí)讀寫的能力,即RWW),512字節(jié)EEPROM,1K字節(jié)SRAM,32個(gè)通用I/O口線,32個(gè)通用工作寄存器,用于邊界掃描的JTAG接口,支持片內(nèi)調(diào)試與編程,三個(gè)具有比較模式的靈活的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器(T/C),片內(nèi)/外中斷,可編程串行USART,有起始條件檢測(cè)器的通用串行接口,8路10位具有可選差分輸入級(jí)可編程增益(TQFP封裝)的ADC,具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器,一個(gè)SPI串行端口,以及六個(gè)可以通過軟件進(jìn)行選擇的省電模式。工作于空閑模式時(shí)CPU停止工作,而USART、兩線接口、A/D轉(zhuǎn)換器、SRAM、T/C、SPI端口以及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作;掉電模式時(shí)晶體振蕩器停止振蕩,所有功能除了中斷和硬件復(fù)位之外都停止作;在省電模式下,異步定時(shí)器繼續(xù)運(yùn)行,允許用戶保持一個(gè)時(shí)間基準(zhǔn),而其余功能模塊處于休眠狀態(tài);ADC噪聲抑制模式時(shí)終CPU和除了異步定時(shí)器與ADC以外所有I/O模塊的工作,以降低ADC轉(zhuǎn)換時(shí)的開關(guān)噪聲;Standby模式下只有晶體或諧振振蕩器運(yùn)行,其余功能模塊處于休眠態(tài),使得器件只消耗極少的電流,同時(shí)具有快速啟動(dòng)能力;擴(kuò)展Standby模式下則允許振蕩器和異步定時(shí)器繼續(xù)工作。

4數(shù)碼管顯示

設(shè)計(jì)采用了4個(gè)共陽的七段發(fā)光二極管實(shí)現(xiàn)顯示電路。

七段發(fā)光二極管(LED)數(shù)碼管

LED數(shù)碼管是目前最常用的數(shù)字顯示器,圖1為共陰管和共陽管的電路和兩種不同出線形式的引出腳功能圖。

一個(gè)LED數(shù)碼管可用來顯示一位0～9十進(jìn)制數(shù)和一個(gè)小數(shù)點(diǎn)。小型數(shù)碼管(0.5寸和0.36寸)每段發(fā)光二極管的正向壓降,隨顯示光(通常為紅、綠、黃、橙色)的顏色不同略有差別,通常約為2～2.5V,每個(gè)發(fā)光二極管的點(diǎn)亮電流在5～10mA。LED數(shù)碼管要顯示BCD碼所表示的十進(jìn)制數(shù)字就需要有一個(gè)專門的譯碼器,該譯碼器不但要完成譯碼功能,還要有相當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)能力。

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