陳晨

渤海大學(xué)

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基于單片機(jī)的數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

陳晨

渤海大學(xué)

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，電子信息技術(shù)的不斷進(jìn)步，涉及數(shù)字電子電路的頻率的接收以及發(fā)送的探討也越來(lái)越多，該領(lǐng)域的許多學(xué)者在對(duì)頻率接收測(cè)定的研究方面取得了很大的成就，并且將該研究投入到實(shí)踐應(yīng)用中也日益普遍。傳統(tǒng)的頻率計(jì)的設(shè)計(jì)組成部件包括了時(shí)序電路以及邏輯電路，傳統(tǒng)的頻率計(jì)存在兩個(gè)缺點(diǎn)分別是頻率測(cè)量的范圍受到了很大的限制以及運(yùn)行的效率低。所以隨著電子信息的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的頻率計(jì)已經(jīng)很難適應(yīng)現(xiàn)代社會(huì)在該領(lǐng)域的要求，本論文針對(duì)基于單片機(jī)的頻率計(jì)進(jìn)行分析與討論，介紹了電路的組成部分，以及電路的工作原理，器件的選擇問(wèn)題。

頻率計(jì) 單片機(jī) 實(shí)踐

1　引言

在通信電子電路中，頻率作為一個(gè)必不可少的參數(shù)，在電子技術(shù)中有著重要的作用，而且對(duì)于大多數(shù)的電參量的測(cè)量有著決定結(jié)果的重要性，所以由此看來(lái)對(duì)于頻率的測(cè)量相對(duì)而言就比較重要，關(guān)于頻率測(cè)量有很多的方法，在這些所有的方法中通過(guò)電子計(jì)數(shù)器進(jìn)行頻率的測(cè)量的應(yīng)用比較廣泛，因?yàn)槭褂秒娮佑?jì)數(shù)器測(cè)量的優(yōu)勢(shì)包括易于操作，精確性很高，測(cè)量效率高等，而且還可以通過(guò)自動(dòng)化進(jìn)行頻率測(cè)量。本論文主要圍繞基于單片機(jī)數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì)與實(shí)踐進(jìn)一步展開(kāi)。

使用單片機(jī)頻率計(jì)具有效率高，易于操作，速度快，交互友好等優(yōu)點(diǎn)，使用涉及到的領(lǐng)域也很多，同時(shí)投入的資金也比較少，節(jié)省開(kāi)銷，外形精簡(jiǎn)易于攜帶。在測(cè)量三角波，方波甚至是正弦波的時(shí)候可以采用單片機(jī)頻率計(jì)，本論文討論的數(shù)字頻率計(jì)中的主控制元件是單片機(jī)，而且還包括了一些外圍的芯片，本論文設(shè)計(jì)的數(shù)字頻率計(jì)頻率很高，而且可以使得測(cè)量的范圍相對(duì)于傳統(tǒng)的頻率計(jì)要高出很多，最大的值可以是20MHz，最小的是1Hz，這個(gè)新型的數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)主要采用的測(cè)頻方法是兩種，分頻的方式是自動(dòng)式的，該基于單片機(jī)的頻率計(jì)可以實(shí)現(xiàn)高精度，高頻率地測(cè)量。

2　主要器件介紹

本論文中設(shè)計(jì)的數(shù)字頻率計(jì)的重要組成元件是單片機(jī)，本文選擇的單片機(jī)是GMS97C205，選擇的晶體振蕩器準(zhǔn)則是12MHz的等待測(cè)量的信號(hào)，當(dāng)該信號(hào)的電壓減少時(shí)候就會(huì)和GMS97C205的NT1的引腳連接起來(lái)，然后利用計(jì)數(shù)器以及定時(shí)器進(jìn)行中斷控制，脈沖信號(hào)中的信號(hào)是通過(guò)定時(shí)器來(lái)計(jì)時(shí)測(cè)量的，所以在這個(gè)過(guò)程中單片機(jī)的操作進(jìn)行了兩次，而且用到的中斷信號(hào)也使用了兩次，但是這兩次使用的中斷信號(hào)從外部來(lái)看完全是一致的，而單片機(jī)完成的兩次操作確是不同的，不同之處在于當(dāng)在進(jìn)行的中斷是第一次的時(shí)候，就會(huì)開(kāi)啟計(jì)數(shù)器操作，定時(shí)器也啟動(dòng)，不同于第一次的中斷，在接著的中斷中，計(jì)數(shù)器操作將會(huì)終止，這兩次的中斷之間的區(qū)別是第一次中斷是時(shí)候計(jì)數(shù)器中的數(shù)字是0，而第二次中斷的時(shí)候計(jì)數(shù)器的數(shù)字是從計(jì)數(shù)操作開(kāi)始到計(jì)數(shù)操作結(jié)束的過(guò)程，所以這個(gè)時(shí)候的計(jì)數(shù)器里面是有數(shù)值的。根據(jù)這里計(jì)數(shù)器中數(shù)字的區(qū)別可以設(shè)置一個(gè)F0的標(biāo)志位，這個(gè)標(biāo)志位定義了當(dāng)F0是0的時(shí)候代表計(jì)數(shù)器操作開(kāi)啟，當(dāng)F0是等于1的時(shí)候代表的是計(jì)數(shù)器停止，然后再把測(cè)量后所獲得的結(jié)果進(jìn)行轉(zhuǎn)化以十進(jìn)制的形式存在，最終結(jié)果顯示在數(shù)碼管上。頻率測(cè)量的原理圖如圖1-1所示。

圖1-1　頻率測(cè)量原理圖

其中原理圖中的74LS164的邏輯功能表如表1-1所示。

表1-1　邏輯功能表

3　數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì)原理

本文的數(shù)字頻率計(jì)采用的測(cè)頻方法是脈沖定時(shí)，根據(jù)相關(guān)的軟件的部分原理從而完成測(cè)頻系統(tǒng)的設(shè)事實(shí)上對(duì)于數(shù)字頻率計(jì)的問(wèn)題的分析的原理就是測(cè)定單位時(shí)間內(nèi)的物理量的測(cè)量，這種測(cè)量是周期性的，在測(cè)量數(shù)字頻率計(jì)中的物理量的時(shí)候那些關(guān)于預(yù)測(cè)的一些步驟方法是能夠直接去掉的，所以這樣一來(lái)可以使得在頻率的劃分方面大大地提高了效率，這種方式有利于彌補(bǔ)采用傳統(tǒng)方法時(shí)的漏洞，傳統(tǒng)的數(shù)字測(cè)頻會(huì)產(chǎn)生在測(cè)頻換段的時(shí)候所存在的繁瑣，而測(cè)頻換段會(huì)出現(xiàn)在頻段低的地方。通常而言，所謂的物理量的測(cè)量實(shí)際上就是計(jì)算每隔一秒鐘數(shù)字信號(hào)中的脈沖有多少個(gè)，這個(gè)一秒指的就是所謂的閥門的時(shí)間。但是這個(gè)閥門時(shí)間不是固定的，可以人為的進(jìn)行改變，除了設(shè)置為1秒之外還可以設(shè)置為1秒以外的范圍。閥門的時(shí)間如果保持的越久那么頻率的結(jié)構(gòu)就會(huì)更加地精確，閥門的時(shí)間如果保持的越長(zhǎng)，那么表明測(cè)量一次物理量后頻率間的間隔也就更長(zhǎng)。

該設(shè)計(jì)中主要的核心設(shè)計(jì)就是單片機(jī)，結(jié)合計(jì)時(shí)器，定時(shí)器完成物理量的測(cè)定，最終再利用單片機(jī)動(dòng)態(tài)掃描的功能把測(cè)定的結(jié)果顯示到數(shù)字顯示電路上，基于單片機(jī)的數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)原理如圖1-2所示。

圖1-2　數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)原理

4　總體設(shè)計(jì)

4.1硬件組成電路

基于單片機(jī)的數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)的硬件組成部分主要包括了分頻模塊，顯示模塊，數(shù)據(jù)選擇模塊以及單片機(jī)，信號(hào)整形電路，信號(hào)整形部分主要是處理待測(cè)的信號(hào)，分頻器主要是處理方波，分頻信號(hào)主要是單片機(jī)進(jìn)行決定的，而且此外單片機(jī)還對(duì)信號(hào)自身的頻率進(jìn)行計(jì)數(shù)的處理，最后將這個(gè)結(jié)果以代碼的形式發(fā)送到LCD上將結(jié)果進(jìn)行呈現(xiàn)。

主芯片控制模塊的設(shè)計(jì)：該模塊主要是為了進(jìn)行計(jì)數(shù)的操作，將待測(cè)信號(hào)的數(shù)目一起記錄下來(lái)，而且還控制譯碼與顯示。通過(guò)系統(tǒng)里面設(shè)計(jì)的定時(shí)器以及計(jì)數(shù)器進(jìn)行測(cè)量待測(cè)信號(hào)的頻率以及其周期。定時(shí)器以及計(jì)數(shù)器的操作實(shí)現(xiàn)是通過(guò)編程來(lái)完成在頻率測(cè)量以及周期測(cè)量所產(chǎn)生的誤差。

放大整形模塊的設(shè)計(jì)：在數(shù)字的頻率計(jì)設(shè)計(jì)中需要放大待測(cè)的信號(hào)，這個(gè)過(guò)程的實(shí)現(xiàn)就需要在放大電路中實(shí)現(xiàn)，當(dāng)信號(hào)放大后，就可以使得信號(hào)幅度有所降低。測(cè)量的時(shí)候的信號(hào)需要進(jìn)行轉(zhuǎn)變?yōu)榉讲?，如果不是方波的時(shí)候就需要通過(guò)整形電路將其變?yōu)榉讲?，從而有助于進(jìn)行信號(hào)測(cè)量。

基準(zhǔn)頻率模塊的設(shè)計(jì)：本文中選擇了GMS97C205，目的是為了生成標(biāo)準(zhǔn)的頻率，要想實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生的頻率是穩(wěn)定的就離不開(kāi)硬件中的定時(shí)器。

4.2顯示模塊

通常情況下顯示模塊選擇的是以數(shù)碼管形式為主進(jìn)行顯示，但是本文中的系統(tǒng)為了可以省電，在外形設(shè)計(jì)上可以簡(jiǎn)便易攜，形狀小之外，選擇了LCD1602，在液晶的顯示屏上加入一些提示的內(nèi)容這樣對(duì)于使用者而言有很大的益處。

5　硬件設(shè)計(jì)

5.1譯碼器

該系統(tǒng)中的數(shù)字頻率計(jì)選擇的譯碼器型號(hào)是74LS145，移位存儲(chǔ)器選擇的是74LS164，之所以譯碼器選擇的是74LS145，這是因?yàn)镮CM7218B是一種集合多電路，分位驅(qū)動(dòng)以及BCD譯碼器于一身的芯片，電路的設(shè)計(jì)方面雖然精簡(jiǎn)，但是花費(fèi)會(huì)比較昂貴，一般人很難接受這個(gè)價(jià)格，所以考慮這個(gè)現(xiàn)實(shí)的因素，選擇了74LS145型號(hào)的譯碼器。

5.2數(shù)顯單元

數(shù)字頻率計(jì)的顯示模塊的顯示方式選擇的是LED的形式，該模塊主要是通過(guò)將每個(gè)分位的端通過(guò)并聯(lián)的方式連接起來(lái)，端口控制選擇的是I/O的控制從而最終實(shí)現(xiàn)進(jìn)行多路的復(fù)用。數(shù)顯單元中的位選是譯碼器，段選是移位寄存器，將所有的段選部分以并聯(lián)的方式連接位選，移位寄存器端輸出的段選碼和位選部分的是相同的。

6　結(jié)語(yǔ)

本文的主要介紹了基于單片機(jī)的數(shù)字頻率計(jì)的基本實(shí)現(xiàn)原理以及硬件的組成部分?；趩纹瑱C(jī)的數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)相比于傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)在精確度方面獲得了很大的提高而且操作起來(lái)比較方便，投入的成本低彌補(bǔ)了傳統(tǒng)的頻率計(jì)的缺陷，隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，電子信息技術(shù)的不斷進(jìn)步，本文討論的基于單片機(jī)的數(shù)字頻率計(jì)在實(shí)際的應(yīng)用中有著很大的實(shí)踐意義。

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