康嘉寧 楊抒濃 王云天 付麗華

沈陽(yáng)工學(xué)院信息與控制學(xué)院

基于單片機(jī)的高精度數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

康嘉寧 楊抒濃 王云天 付麗華

沈陽(yáng)工學(xué)院信息與控制學(xué)院

本文提出了一個(gè)基于單片機(jī)的高精度數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)以51單片機(jī)為微處理器，包括放大電路、整形電路、分頻電路和顯示電路，可以實(shí)現(xiàn)方波、三角波、正弦波的頻率檢測(cè)，最后通過(guò)程序控制，實(shí)現(xiàn)小信號(hào)、高精度的頻率檢測(cè)，從而完成具有數(shù)字顯示的功能頻率計(jì)的設(shè)計(jì)。該數(shù)字頻率計(jì)具有操作簡(jiǎn)單、檢測(cè)精度高、顯示直觀等特點(diǎn)。

單片機(jī) 小信號(hào) 高精度 頻率計(jì)

數(shù)字頻率計(jì)(Digital Frequency Meter)是采用數(shù)字電路設(shè)計(jì)而成的能實(shí)現(xiàn)對(duì)周期性變化信號(hào)頻率測(cè)量的儀器。頻率計(jì)主要用于測(cè)量正弦波、矩形波、三角波和尖脈沖等周期信號(hào)的頻率值，其擴(kuò)展功能可以測(cè)量信號(hào)的周期和脈沖寬度。

測(cè)量頻率的方法有很多，按照其工作原理分為無(wú)源測(cè)量法、比較法、示波器法和計(jì)數(shù)法等。本設(shè)計(jì)中采用的是直接測(cè)頻法，能直接計(jì)數(shù)單位時(shí)間內(nèi)被測(cè)信號(hào)的脈沖數(shù)，然后以數(shù)字形式顯示頻率值。這種方法測(cè)量精確度高、快速，適合不同頻率、不同精確度測(cè)頻的需要。

1 數(shù)字頻率計(jì)工作原理

數(shù)字頻率計(jì)的主要功能是測(cè)量周期信號(hào)的頻率，工作原理如下：

頻率是單位時(shí)間（1S）內(nèi)信號(hào)發(fā)生周期變化的次數(shù)。如果能夠在給定的1S時(shí)間內(nèi)對(duì)信號(hào)波形計(jì)數(shù)，便可以獲得被測(cè)信號(hào)的頻率。數(shù)字頻率計(jì)首先必須獲得相對(duì)穩(wěn)定與準(zhǔn)確的時(shí)間，同時(shí)將被測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換成幅度與波形均能被數(shù)字電路識(shí)別的脈沖信號(hào)，然后通過(guò)計(jì)數(shù)器獲得單位時(shí)間內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)，將其換算后顯示出來(lái)。

數(shù)字頻率計(jì)由四部分組成，包括放大電路、整形電路、分頻電路、以MCU為核心的控制單元和顯示電路，工作原理如下：

待測(cè)試的小信號(hào)，首先經(jīng)過(guò)放大電路，放大后的信號(hào)，進(jìn)入整形電路，整形電路的輸出信號(hào)為方波，連接MCU的輸入管腳，最后通過(guò)程序控制實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)功能，再經(jīng)過(guò)運(yùn)算，將單位時(shí)間內(nèi)的計(jì)數(shù)信息，轉(zhuǎn)換為頻率信息，顯示到液晶屏上。

2 數(shù)字頻率計(jì)硬件電路設(shè)計(jì)

根據(jù)工作原理，本電路的設(shè)計(jì)方案如下：

2.1 放大電路

放大電路的核心芯片為OPA690，實(shí)現(xiàn)對(duì)微小信號(hào)的放大。工作時(shí)，只對(duì)于幅值低于100mV的信號(hào)進(jìn)行放大，反之，直接進(jìn)入整形電路。

2.2 整形電路

通過(guò)整形電路，將正弦波、三角波和波形不佳的正弦波等轉(zhuǎn)化成矩形波。整形電路以MAX913為核心電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的整形。

2.3 分頻電路

對(duì)于頻率較高的信號(hào)，啟動(dòng)分頻電路：二分頻或者四分頻，將信號(hào)的頻率降低到51單片機(jī)可以檢測(cè)出來(lái)的范圍內(nèi)。對(duì)于頻率小于10MHz的信號(hào)，可以直接進(jìn)入MCU的輸入端口。

2.4 MCU控制電路

在本設(shè)計(jì)中，采用了STC12C5206AD單片機(jī)作為微處理器，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的檢測(cè)、計(jì)數(shù)、運(yùn)算和顯示的驅(qū)動(dòng)。為了實(shí)現(xiàn)精確計(jì)數(shù)，采用40MHz的有源晶振。

通過(guò)編程，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)信號(hào)的下降沿檢測(cè)，即計(jì)數(shù)功能。在計(jì)數(shù)完畢后，將當(dāng)期的頻率和周期信息，顯示到LCD上。

2.5 顯示單元

本設(shè)計(jì)中，以LCD1602作為顯示器，顯示分為兩行，每行可以顯示16個(gè)字符，包括數(shù)字和英文字符。

3 數(shù)字頻率計(jì)軟件設(shè)計(jì)

軟件程序包括如下3個(gè)部分：

3.1 初始化

初始化包括：系統(tǒng)的設(shè)置、液晶屏的初始化和顯示和定時(shí)中斷的參數(shù)設(shè)置。

3.2 信號(hào)檢測(cè)和計(jì)數(shù)

在完成初始化后，對(duì)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，每當(dāng)檢測(cè)到一個(gè)下降沿時(shí)，計(jì)數(shù)自動(dòng)加1。計(jì)時(shí)結(jié)束時(shí)，判斷當(dāng)前的狀態(tài)否為分頻，然后對(duì)當(dāng)前的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理。

3.3 數(shù)據(jù)運(yùn)算

根據(jù)計(jì)數(shù)的值與定時(shí)中斷的計(jì)數(shù)值，進(jìn)行運(yùn)算，然后計(jì)算出頻率和周期。為了實(shí)現(xiàn)精確計(jì)算，頻率和周期均采用float型的變量，計(jì)算的結(jié)果保留4位小數(shù)。

3.4 顯示驅(qū)動(dòng)

顯示內(nèi)容如下：

第一行顯示頻率的數(shù)值，保留4位小數(shù)，自動(dòng)顯示頻率的單位：Hz，kHz和MHz；

第二行顯示被檢測(cè)信號(hào)的周期信息，保留4位小數(shù)，自動(dòng)顯示周期的單位：S，mS和uS。

通過(guò)精確的計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字頻率計(jì)的高精度等級(jí)的測(cè)量和直觀的顯示。

4 結(jié)論

在電子技術(shù)領(lǐng)域，頻率是一個(gè)最基本的參數(shù)。許多物理量，例如：溫度、壓力、流量、液位、PH值、振動(dòng)、位移、速度等通過(guò)傳感器轉(zhuǎn)換成信號(hào)頻率，然后用數(shù)字頻率計(jì)來(lái)測(cè)量。因此，數(shù)字頻率計(jì)作為一種最基本的測(cè)量?jī)x器以其測(cè)量精度高、速度快、操作簡(jiǎn)便、數(shù)字顯示等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。尤其是將數(shù)字頻率計(jì)與微處理器相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)測(cè)量?jī)x器的多功能化、程控化和智能化。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，基于數(shù)字式頻率計(jì)組成的各種測(cè)量?jī)x器、控制設(shè)備、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已應(yīng)用到國(guó)際民生的各個(gè)方面。

[1]李雷等編.電子技術(shù)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)教程[M].電子科技大學(xué)出版社，2006

[2]趙亮.跟我學(xué)51單片機(jī)系列教程(九)-單片機(jī)簡(jiǎn)易頻率計(jì)[J].電子制作，2011年09期

[3]STC12C5206AD數(shù)據(jù)手冊(cè)[EB/OL].http://stcmcu.cn.china.cn

康嘉寧，楊抒濃，王云天，沈陽(yáng)工學(xué)院，學(xué)生。

付麗華（通訊作者），1972年6月，女，滿族，遼寧人，沈陽(yáng)工學(xué)院，副教授。