西安外事學(xué)院 王立紅

圖1 系統(tǒng)原理圖

圖2 整形電路設(shè)計(jì)

圖3 整形電路仿真輸出

圖4 分頻數(shù)據(jù)選擇器

1.引言

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。本文介紹了基于單片機(jī)的數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

2.硬件組成電路

2.1 信號(hào)整形電路

信號(hào)整形部分主要是將待測(cè)信號(hào)整形成為能夠讓計(jì)數(shù)器識(shí)別并計(jì)數(shù)的脈沖信號(hào)。采用LM311構(gòu)成的過零比較器，LM311的轉(zhuǎn)換速度為200ns，即轉(zhuǎn)換頻率為f=1/T=1/(200ns)=5MHz，帶寬增益為4MHz。

圖5 分頻電路仿真

在Multisim下的整形電路的仿真如圖2所示。

仿真輸出的波形如圖3所示。

觀察輸出的波形，當(dāng)輸入信號(hào)電平大于零時(shí)，輸出高電平5V；當(dāng)輸入信號(hào)電平小于零時(shí)，輸出電平0V。通過此整形電路，把正弦、三角波信號(hào)轉(zhuǎn)換為方波信號(hào)，而方波信號(hào)能夠被單片機(jī)識(shí)別進(jìn)行計(jì)數(shù)。

2.2 分頻電路與數(shù)據(jù)選擇

本設(shè)計(jì)的硬件電路由單片機(jī)、信號(hào)整形電路、分頻模塊、數(shù)據(jù)選擇模塊及顯示模塊等組成，系統(tǒng)原理如圖1所示。待測(cè)信號(hào)通過信號(hào)整形部分，將周期信號(hào)轉(zhuǎn)換成所需要的方波，方波通過分頻器處理，由單片機(jī)來控制選擇不同的分頻信號(hào)，并將信號(hào)的頻率計(jì)數(shù)，轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的顯示代碼發(fā)往LCD輸出顯示結(jié)果。

圖6 單片機(jī)控制流程圖

分頻與數(shù)據(jù)選擇是由兩個(gè)部分組成的，即分頻部分和數(shù)據(jù)選擇部分。

分頻處理部分的作用是利用分頻來克服單片機(jī)自身計(jì)數(shù)范圍有限的缺點(diǎn)，間接的擴(kuò)大了它的測(cè)頻范圍，采用的芯片為CD4518。通過兩片CD4518芯片得到十分頻、一百分頻、一千分頻、一萬分頻的脈沖信號(hào)。

本設(shè)計(jì)中所測(cè)頻率范圍是1Hz-1MHz。在待測(cè)頻率較大時(shí)，由于單片機(jī)自身頻率的限制，無法完成計(jì)數(shù)。AT89C52單片機(jī)采用的是12MHz晶振，當(dāng)計(jì)算機(jī)識(shí)別1次計(jì)數(shù)時(shí)需要花費(fèi)兩個(gè)機(jī)器周期，最大計(jì)數(shù)速度為振蕩頻率的1/24。在采用12MHz晶振的情況下，單片機(jī)的最大計(jì)數(shù)速度是12MHz×1/24=0.5MHz，即500KHz。被測(cè)信號(hào)越接近500KHz，所測(cè)得的數(shù)據(jù)誤差就越大。當(dāng)待測(cè)信號(hào)頻率大于500KHz時(shí)，單片機(jī)是測(cè)不到其頻率的。為盡可能避免上述情況的發(fā)生就需要分頻器將信號(hào)頻率降低，也就是分頻，這樣單片機(jī)就能對(duì)信號(hào)正常計(jì)數(shù)了。

數(shù)據(jù)選擇部分選用的是74LS151，74LS151為互補(bǔ)輸出的8選1數(shù)據(jù)選擇器。將分頻器分出的十分頻、一百分頻、一千分頻、一萬分頻的脈沖信號(hào)接八路模擬開關(guān)74LS151的I1、I2、I3、I4、I5口，使用單片機(jī)控制74LS151來選擇不同分頻信號(hào)就能實(shí)現(xiàn)所需功能。

具體連接方式如圖4所示。

由于Multisim中沒有CD4518元器件，用類似于它的74ls390進(jìn)行代替，仿真的電路圖5所示。當(dāng)輸入的信號(hào)為1kHz的時(shí)候的，輸出的一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)分頻的波形的周期分別為10ms、100ms、1s，符合分頻的要求，完成仿真。而實(shí)際中由于分頻會(huì)造成信號(hào)的失真，因此可能要加入一個(gè)濾波器，除去噪聲信號(hào)。

3.單片機(jī)控制流程設(shè)計(jì)

單片機(jī)控制流程如圖6所示。

4.結(jié)束語

本系統(tǒng)采用信號(hào)整形、信號(hào)分頻及數(shù)據(jù)選擇電路設(shè)計(jì)，單片機(jī)采用AT89C52，用C51語言編程，實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同波形、不同頻率信號(hào)的測(cè)量。在測(cè)試時(shí)根據(jù)被測(cè)信號(hào)頻率的不同，選擇不同的預(yù)置閘門時(shí)間。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，在低頻端測(cè)量誤差＜0.01%，在高頻端測(cè)量誤差＜0.001%，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。對(duì)誤差進(jìn)行分析，主要是計(jì)數(shù)器沒有經(jīng)過同步門，存在±1量化誤差，這也是誤差存在的主要來源。

[1]萬光毅,孫九安,蔡建平.SOC單片機(jī)實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐與應(yīng)用設(shè)計(jì)——基于C8051F系列[J].北京航空航天大學(xué)出版社,2006.

[2]謝自美,肖看,尹仕,等.電子線路綜合設(shè)計(jì)[M].武漢華中科技大學(xué)出版社,2006.

[3]蔣煥文,孫續(xù).電子測(cè)量[M].北京計(jì)量出版社.