【摘要】數(shù)字頻率計(jì)主要包含了對(duì)輸入信號(hào)的整形、計(jì)數(shù)、顯示三個(gè)部分。本文介紹了軟件部分主要包括實(shí)現(xiàn)選擇對(duì)不同分頻信號(hào)計(jì)數(shù)程序、對(duì)數(shù)據(jù)處理程序及顯示程序。在此采用了以AT89C2051單片機(jī)為核心的直接測(cè)頻法。

【關(guān)鍵詞】數(shù)字頻率計(jì);單片機(jī);顯示

1.引言

數(shù)字頻率計(jì)是直接用十進(jìn)制碼來顯示被測(cè)信號(hào)頻率的一種測(cè)量裝置。作為一種基礎(chǔ)測(cè)量?jī)x器，已在教學(xué)、科研、高精度儀器測(cè)量、工業(yè)控制等領(lǐng)域有較廣泛的應(yīng)用。

試驗(yàn)中設(shè)計(jì)的頻率計(jì)測(cè)量的頻率范圍在1Hz-10MHz之間。能夠測(cè)量任何該頻率段內(nèi)的周期信號(hào)的頻率，延時(shí)要小，測(cè)量迅速，以十進(jìn)制數(shù)顯示，便于讀數(shù)，單位以Hz或KHz顯示，自動(dòng)轉(zhuǎn)換單位。

方案1：目前市場(chǎng)上的頻率計(jì)多數(shù)使用專用計(jì)數(shù)芯片和數(shù)字邏輯電路計(jì)數(shù)，測(cè)量原理圖如圖1所示。

圖1 計(jì)數(shù)芯片設(shè)計(jì)頻率計(jì)的基本原理

計(jì)數(shù)芯片是通過外部時(shí)鐘電路產(chǎn)生的時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)控制計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)和保持狀態(tài)的，計(jì)數(shù)器的測(cè)量精度很大程度上就取決于時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)的精度。其次，要實(shí)現(xiàn)量程轉(zhuǎn)換，需要人為選擇量程，對(duì)時(shí)鐘電路產(chǎn)生的時(shí)間信號(hào)分頻得到不同量程所需的時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)，完成一次計(jì)數(shù)后要對(duì)電路產(chǎn)生控制信號(hào)送入計(jì)數(shù)器，使計(jì)數(shù)器清零以便下一次計(jì)數(shù)，這使得電路比較復(fù)雜。再者，這種專用芯片的價(jià)格比較高，就決定了制作的頻率計(jì)的成本會(huì)很高?；谝陨峡紤]，就否定了這種用計(jì)數(shù)芯片計(jì)數(shù)的方法。

方案2：現(xiàn)在單片機(jī)的使用比較廣泛，我們可以考慮用單片機(jī)設(shè)計(jì)頻率計(jì)。使用單片機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)通常采用兩種辦法：1）使用單片機(jī)自帶的計(jì)數(shù)器對(duì)輸入脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，或者測(cè)量信號(hào)的周期;2）單片機(jī)外部使用計(jì)數(shù)器對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)值再由單片機(jī)讀取。這里我們用第一種的直接測(cè)頻法。以AT89C2051單片機(jī)為核心，利用其內(nèi)部的定時(shí)（計(jì)數(shù)）器來完成待測(cè)信號(hào)頻率的測(cè)量。單片機(jī)的其中一個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器定時(shí)，另一個(gè)計(jì)數(shù)。另外還可以通過軟件編程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換檔，使電路結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化。

比較以上兩種方案，很容易發(fā)現(xiàn)兩者的優(yōu)缺點(diǎn)：

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

方案2可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換檔，取材方便、電路簡(jiǎn)單，制作成本低。

從而確定了使用單片機(jī)計(jì)數(shù)的方案。

2.數(shù)字頻率計(jì)的基本原理

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

F=N/T

所以測(cè)頻就是測(cè)量單位時(shí)間內(nèi)脈沖個(gè)數(shù)，則首先就要對(duì)輸入信號(hào)整形，變換成矩形脈沖，送入計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)完成后顯示頻率值。據(jù)此，設(shè)計(jì)原理如圖2所示。

圖2 數(shù)字頻率計(jì)的基本組成

3.軟件設(shè)計(jì)

軟件部分主要包括實(shí)現(xiàn)選擇對(duì)不同分頻信號(hào)計(jì)數(shù)程序、對(duì)數(shù)據(jù)處理程序及顯示程序。為使CPU不把大部分時(shí)間用在等待定時(shí)/計(jì)數(shù)結(jié)束，數(shù)碼管在單片機(jī)在計(jì)數(shù)的同時(shí)仍能顯示，就需要采用中斷方式。在主程序中，對(duì)定時(shí)/計(jì)數(shù)器設(shè)初值并開中斷，運(yùn)行顯示程序，當(dāng)T0定時(shí)到時(shí)產(chǎn)生中斷，在中斷處理子程序中對(duì)數(shù)據(jù)處理，并重新對(duì)定時(shí)/計(jì)數(shù)器設(shè)初值。由于中斷服務(wù)子程序時(shí)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(jī)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(duì)100分頻的信號(hào)測(cè)頻，清零標(biāo)記位（25H）.0表示選擇100分頻;T1清零，T0定時(shí)100MS同時(shí)啟動(dòng)T1計(jì)數(shù)和T0定時(shí);

定時(shí)到時(shí)產(chǎn)生中斷，T1停止計(jì)數(shù)，判斷標(biāo)記位（25H）.0，為零表示單片機(jī)對(duì)100分頻的信號(hào)計(jì)數(shù)100MS，判斷計(jì)數(shù)值是否小于5000，（小于5000說明信號(hào)未經(jīng)分頻的頻率值小于5MHz），若大于5000表明信號(hào)頻率大于5MHz，信號(hào)實(shí)際頻率為：計(jì)數(shù)值×100×10Hz，所以信號(hào)頻率值可直接用計(jì)數(shù)值表示，單位為KHz;

若計(jì)數(shù)值小于5000，繼續(xù)判斷計(jì)數(shù)值是否小于500（小于500說明信號(hào)未經(jīng)分頻的頻率值小于500KHz），若大于500表明信號(hào)頻率在500 KHz-- 5MHz內(nèi)，這時(shí)就沒必要對(duì)信號(hào)100分頻，只需要10分頻就可以，通過軟件設(shè)置單片機(jī)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(duì)10分頻的信號(hào)測(cè)頻，標(biāo)記位（25H）.0置1，標(biāo)記位（25H）.1置1，表示計(jì)數(shù)值為10分頻的計(jì)數(shù)，重新把T1清零，T0定時(shí)100MS同時(shí)啟動(dòng)T1計(jì)數(shù)和T0定時(shí)，定時(shí)到時(shí)產(chǎn)生中斷，T1停止計(jì)數(shù)，判斷標(biāo)記位（25H）.0為1，表示不是100分頻的計(jì)數(shù)，判斷標(biāo)記位（25H）.1為1表示計(jì)數(shù)值為10分頻的計(jì)數(shù)，信號(hào)實(shí)際頻率為：計(jì)數(shù)值×10×10Hz，所以信號(hào)頻率值為計(jì)數(shù)值除以10，單位為KHz，實(shí)際上可以直接在計(jì)數(shù)值的左邊第二位加小數(shù)點(diǎn)，表示對(duì)計(jì)數(shù)值進(jìn)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(jì)數(shù)，需加小數(shù)點(diǎn)，這時(shí)需要把所有標(biāo)記位清零以便下一次計(jì)數(shù);

若計(jì)數(shù)值小于5000也小于500說明信號(hào)未經(jīng)分頻的頻率值小于500KHz，這時(shí)就沒必要對(duì)信號(hào)分頻，通過軟件設(shè)置單片機(jī)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(duì)不分頻的信號(hào)測(cè)頻，置1標(biāo)記位（25H）.0清零標(biāo)記位（25H）.1，表示計(jì)數(shù)值為不分頻的計(jì)數(shù)，重新把T1清零，T0定時(shí)100MS同時(shí)啟動(dòng)T1計(jì)數(shù)和T0定時(shí)，定時(shí)到時(shí)產(chǎn)生中斷，T1停止計(jì)數(shù)，判斷標(biāo)記位（25H）.0為1，表示不是100分頻的計(jì)數(shù)，判斷標(biāo)記位（25H）.1為0，表示計(jì)數(shù)值不是10分頻的計(jì)數(shù)，所以計(jì)數(shù)值為不分頻的計(jì)數(shù)，信號(hào)實(shí)際頻率為：計(jì)數(shù)值×10Hz，所以信號(hào)頻率值為計(jì)數(shù)值乘以10，單位為Hz;但在低頻時(shí)，如果信號(hào)頻率小于10Hz，計(jì)數(shù)100MS就無法測(cè)量信號(hào)頻率，所以這時(shí)還有必要重新對(duì)T0置數(shù)，使其定時(shí)1S，T1也重新計(jì)數(shù)，設(shè)置標(biāo)記位P3.2為0表示計(jì)數(shù)值是1S的計(jì)數(shù)，不用對(duì)計(jì)數(shù)值乘10。

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

計(jì)數(shù)完成后需要對(duì)數(shù)據(jù)處理：

（1）由T1得到的計(jì)數(shù)值為二進(jìn)制，需要轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制才能顯示，可通過軟件編程實(shí)現(xiàn);

（2）進(jìn)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(hào)輸入到制作好的頻率計(jì)上，觀察頻率計(jì)顯示數(shù)值發(fā)現(xiàn)與標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)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?yàn)殡娐分懈餍酒难舆t和程序中對(duì)T0定時(shí)和T1計(jì)數(shù)時(shí)間并不是完全相等。但測(cè)得值與標(biāo)準(zhǔn)值相差不大，考慮到做模擬電路實(shí)驗(yàn)時(shí)用到的頻率范圍及對(duì)頻率計(jì)的性能要求，在此制作的頻率計(jì)完全可以應(yīng)用在模擬電路實(shí)驗(yàn)中。

注：由于某種原因，在此，設(shè)計(jì)的程序不予刊發(fā)。

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作者簡(jiǎn)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(tái)，從事廣播電視發(fā)射轉(zhuǎn)播技術(shù)方面的工作。