【摘要】數(shù)字頻率計主要包含了對輸入信號的整形、計數(shù)、顯示三個部分。本文介紹了軟件部分主要包括實現(xiàn)選擇對不同分頻信號計數(shù)程序、對數(shù)據(jù)處理程序及顯示程序。在此采用了以AT89C2051單片機為核心的直接測頻法。

【關(guān)鍵詞】數(shù)字頻率計;單片機;顯示

1.引言

數(shù)字頻率計是直接用十進制碼來顯示被測信號頻率的一種測量裝置。作為一種基礎(chǔ)測量儀器，已在教學(xué)、科研、高精度儀器測量、工業(yè)控制等領(lǐng)域有較廣泛的應(yīng)用。

試驗中設(shè)計的頻率計測量的頻率范圍在1Hz-10MHz之間。能夠測量任何該頻率段內(nèi)的周期信號的頻率，延時要小，測量迅速，以十進制數(shù)顯示，便于讀數(shù)，單位以Hz或KHz顯示，自動轉(zhuǎn)換單位。

方案1：目前市場上的頻率計多數(shù)使用專用計數(shù)芯片和數(shù)字邏輯電路計數(shù)，測量原理圖如圖1所示。

圖1 計數(shù)芯片設(shè)計頻率計的基本原理

計數(shù)芯片是通過外部時鐘電路產(chǎn)生的時間基準(zhǔn)信號控制計數(shù)器的計數(shù)和保持狀態(tài)的，計數(shù)器的測量精度很大程度上就取決于時間基準(zhǔn)信號的精度。其次，要實現(xiàn)量程轉(zhuǎn)換，需要人為選擇量程，對時鐘電路產(chǎn)生的時間信號分頻得到不同量程所需的時間基準(zhǔn)信號，完成一次計數(shù)后要對電路產(chǎn)生控制信號送入計數(shù)器，使計數(shù)器清零以便下一次計數(shù)，這使得電路比較復(fù)雜。再者，這種專用芯片的價格比較高，就決定了制作的頻率計的成本會很高。基于以上考慮，就否定了這種用計數(shù)芯片計數(shù)的方法。

方案2：現(xiàn)在單片機的使用比較廣泛，我們可以考慮用單片機設(shè)計頻率計。使用單片機設(shè)計時通常采用兩種辦法：1）使用單片機自帶的計數(shù)器對輸入脈沖進行計數(shù)，或者測量信號的周期;2）單片機外部使用計數(shù)器對脈沖信號進行計數(shù)，計數(shù)值再由單片機讀取。這里我們用第一種的直接測頻法。以AT89C2051單片機為核心，利用其內(nèi)部的定時（計數(shù)）器來完成待測信號頻率的測量。單片機的其中一個定時/計數(shù)器定時，另一個計數(shù)。另外還可以通過軟件編程實現(xiàn)自動換檔，使電路結(jié)構(gòu)大為簡化。

比較以上兩種方案，很容易發(fā)現(xiàn)兩者的優(yōu)缺點：

方案1需要人為選擇量程，電路復(fù)雜，專用芯片的價格比較高，制作的頻率計的成本高;

方案2可實現(xiàn)自動換檔，取材方便、電路簡單，制作成本低。

從而確定了使用單片機計數(shù)的方案。

2.數(shù)字頻率計的基本原理

頻率的定義是單位時間（1s）內(nèi)周期信號的變化次數(shù)。若在一定時間間隔T內(nèi)測得周期信號的重復(fù)變化次數(shù)為N，則其頻率為：

F=N/T

所以測頻就是測量單位時間內(nèi)脈沖個數(shù)，則首先就要對輸入信號整形，變換成矩形脈沖，送入計數(shù)，計數(shù)完成后顯示頻率值。據(jù)此，設(shè)計原理如圖2所示。

圖2 數(shù)字頻率計的基本組成

3.軟件設(shè)計

軟件部分主要包括實現(xiàn)選擇對不同分頻信號計數(shù)程序、對數(shù)據(jù)處理程序及顯示程序。為使CPU不把大部分時間用在等待定時/計數(shù)結(jié)束，數(shù)碼管在單片機在計數(shù)的同時仍能顯示，就需要采用中斷方式。在主程序中，對定時/計數(shù)器設(shè)初值并開中斷，運行顯示程序，當(dāng)T0定時到時產(chǎn)生中斷，在中斷處理子程序中對數(shù)據(jù)處理，并重新對定時/計數(shù)器設(shè)初值。由于中斷服務(wù)子程序時間非常短，所以視覺上數(shù)碼管沒有停止顯示。

具體的工作過程為：

通過軟件設(shè)置單片機P1.5和P1.6，即設(shè)置了數(shù)據(jù)選擇器的地址端A和B，選擇對100分頻的信號測頻，清零標(biāo)記位（25H）.0表示選擇100分頻;T1清零，T0定時100MS同時啟動T1計數(shù)和T0定時;

定時到時產(chǎn)生中斷，T1停止計數(shù)，判斷標(biāo)記位（25H）.0，為零表示單片機對100分頻的信號計數(shù)100MS，判斷計數(shù)值是否小于5000，（小于5000說明信號未經(jīng)分頻的頻率值小于5MHz），若大于5000表明信號頻率大于5MHz，信號實際頻率為：計數(shù)值×100×10Hz，所以信號頻率值可直接用計數(shù)值表示，單位為KHz;

若計數(shù)值小于5000，繼續(xù)判斷計數(shù)值是否小于500（小于500說明信號未經(jīng)分頻的頻率值小于500KHz），若大于500表明信號頻率在500 KHz-- 5MHz內(nèi)，這時就沒必要對信號100分頻，只需要10分頻就可以，通過軟件設(shè)置單片機P1.5和P1.6，即設(shè)置了數(shù)據(jù)選擇器的地址端A和B，選擇對10分頻的信號測頻，標(biāo)記位（25H）.0置1，標(biāo)記位（25H）.1置1，表示計數(shù)值為10分頻的計數(shù)，重新把T1清零，T0定時100MS同時啟動T1計數(shù)和T0定時，定時到時產(chǎn)生中斷，T1停止計數(shù)，判斷標(biāo)記位（25H）.0為1，表示不是100分頻的計數(shù)，判斷標(biāo)記位（25H）.1為1表示計數(shù)值為10分頻的計數(shù)，信號實際頻率為：計數(shù)值×10×10Hz，所以信號頻率值為計數(shù)值除以10，單位為KHz，實際上可以直接在計數(shù)值的左邊第二位加小數(shù)點，表示對計數(shù)值進行了除以10的處理，設(shè)置標(biāo)記位P1.7為1，表示是分頻的計數(shù)，需加小數(shù)點，這時需要把所有標(biāo)記位清零以便下一次計數(shù);

若計數(shù)值小于5000也小于500說明信號未經(jīng)分頻的頻率值小于500KHz，這時就沒必要對信號分頻，通過軟件設(shè)置單片機P1.5和P1.6，即設(shè)置了數(shù)據(jù)選擇器的地址端A和B，選擇對不分頻的信號測頻，置1標(biāo)記位（25H）.0清零標(biāo)記位（25H）.1，表示計數(shù)值為不分頻的計數(shù)，重新把T1清零，T0定時100MS同時啟動T1計數(shù)和T0定時，定時到時產(chǎn)生中斷，T1停止計數(shù)，判斷標(biāo)記位（25H）.0為1，表示不是100分頻的計數(shù)，判斷標(biāo)記位（25H）.1為0，表示計數(shù)值不是10分頻的計數(shù)，所以計數(shù)值為不分頻的計數(shù)，信號實際頻率為：計數(shù)值×10Hz，所以信號頻率值為計數(shù)值乘以10，單位為Hz;但在低頻時，如果信號頻率小于10Hz，計數(shù)100MS就無法測量信號頻率，所以這時還有必要重新對T0置數(shù)，使其定時1S，T1也重新計數(shù)，設(shè)置標(biāo)記位P3.2為0表示計數(shù)值是1S的計數(shù)，不用對計數(shù)值乘10。

由以上分析可知，通過軟件編程就可實現(xiàn)量程的自動轉(zhuǎn)換。

計數(shù)完成后需要對數(shù)據(jù)處理：

（1）由T1得到的計數(shù)值為二進制，需要轉(zhuǎn)換為十進制才能顯示，可通過軟件編程實現(xiàn);

（2）進制轉(zhuǎn)換完后衛(wèi)壓縮的BCD數(shù)，要把壓縮BCD數(shù)轉(zhuǎn)換為分離BCD數(shù)。

程序流程圖如圖3、4、5所示。

各子程序流程圖如圖5所示。

4.總結(jié)

把已知頻率的標(biāo)準(zhǔn)信號輸入到制作好的頻率計上，觀察頻率計顯示數(shù)值發(fā)現(xiàn)與標(biāo)準(zhǔn)信號的頻率值存在一定的延遲和差值，這種誤差的產(chǎn)生主要是因為電路中各芯片的延遲和程序中對T0定時和T1計數(shù)時間并不是完全相等。但測得值與標(biāo)準(zhǔn)值相差不大，考慮到做模擬電路實驗時用到的頻率范圍及對頻率計的性能要求，在此制作的頻率計完全可以應(yīng)用在模擬電路實驗中。

注：由于某種原因，在此，設(shè)計的程序不予刊發(fā)。

參考文獻

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作者簡介：陳利新（1968—），男，山東臨沂人，大學(xué)本科，工程師，現(xiàn)供職于山東省新聞出版廣電局蒙山轉(zhuǎn)播臺，從事廣播電視發(fā)射轉(zhuǎn)播技術(shù)方面的工作。