蘇鵬飛，楊延寧，任新成，張 雄

（1.延安大學(xué) 網(wǎng)絡(luò)信息中心，陜西 延安 716000；2.延安大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院， 陜西 延安 716000）

0 引 言

在電子測量領(lǐng)域，頻率是一個重要的參數(shù)，往往作為計算的基礎(chǔ)參量與參考數(shù)值，隨著計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和電子科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，頻率的測量要求越來越高[1]。常見的測頻方法中，以電子計數(shù)器測量頻率的方法最為常見，電子計數(shù)器測頻電路主要由時序邏輯電路和組合邏輯電路組成，成品頻率計體積大，測量速度較慢，測量結(jié)果誤差較大[2]。這種傳統(tǒng)的硬件電路測頻方法已不能滿足現(xiàn)代頻率測量的要求，需重新引入軟件設(shè)計，尋求一種更快速、準(zhǔn)確的頻率測量方法。因此，本文采用STC89C52單片機(jī)設(shè)計了一種便攜式數(shù)字頻率計，它較好地克服了傳統(tǒng)頻率計存在的不足，提高了頻率測量精確度，該頻率計具有適用范圍廣，產(chǎn)品體積小巧，測量準(zhǔn)確，便于攜帶等特點(diǎn)。

1 設(shè)計要求與原理框圖

為減小量化誤差，一般采用測頻法測量高頻信號，采用測周法測量低頻信號[3]。對于頻率范圍在1 Hz～20 MHz的信號，采用測周法更為準(zhǔn)確。設(shè)計要求具體如下：

（1）測量信號：方波，正弦波和三角波等周期信號；

（2）測量范圍：1 Hz～20 MHz；

（3）顯示范圍：8位數(shù)值。

電路由信號采集模塊、脈沖產(chǎn)生模塊、分頻模塊、單片機(jī)系統(tǒng)和輸出顯示模塊組成，經(jīng)信號采集與放大后的被測信號，從施密特反相器74HC14輸入后觸發(fā)并反相，將放大的被測信號整形為平滑、沒有毛刺的信號，當(dāng)頻率過大時再通過分頻電路進(jìn)行分頻處理，后經(jīng)單片機(jī)STC89C52脈沖計數(shù)，最后顯示在液晶顯示屏LCD1602上。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

2 硬件電路設(shè)計

頻率計原理如圖2所示。被測信號從P1輸入，將微弱頻率信號通過電容耦合、三極管2SC3355放大電路放大到可檢測到的信號。經(jīng)放大后的信號進(jìn)入74HC14施密特觸發(fā)反相器，對不同的波形進(jìn)行變換，變換成穩(wěn)定清晰、平滑的脈沖信號。若該信號頻率大于20 kHz，進(jìn)入計數(shù)器74HC390進(jìn)行100分頻。未經(jīng)分頻的脈沖信號進(jìn)入單片機(jī)的定時/計數(shù)器0，而100分頻后的脈沖信號進(jìn)入單片機(jī)的定時/計數(shù)器1，經(jīng)軟件算法量程自動切換處理，換算出真實(shí)數(shù)值，輸出待測信號頻率數(shù)值，最后通過LCD1602液晶顯示器顯示測量值，顯示的最高位為8位，頻率單位為Hz。實(shí)際上，被測信號在整形之前，信號頻率未知，有時無法采集到微弱信號，而單片機(jī)STC89C52對輸入電壓要求很嚴(yán)，達(dá)到一定范圍的電平值才能夠?qū)╗4]，因此，要確保合適的信號輸入，需調(diào)節(jié)放大器的增益，放大微弱信號，衰減強(qiáng)信號。由于單片機(jī)只能辨識采樣信號，也只能對脈沖波形進(jìn)行計數(shù)，而實(shí)際的被測信號往往可能是三角波、正弦波等，為提高波形的平滑度、減小毛刺，需對這類信號整形處理，以減小測量誤差?？稍诜糯箅娐泛蠹由险坞娐罚檬┟芴赜|發(fā)器將邊緣平滑，將待測信號變換成相同頻率的脈沖波后計數(shù)。

圖2 頻率計原理圖

輸入正弦波時的一組測量結(jié)果見表1所列。測量結(jié)果與實(shí)際值接近，測量誤差很小，表明所設(shè)計的頻率計符合要求。

3 軟件設(shè)計

軟件系統(tǒng)設(shè)計部分通過模塊化實(shí)現(xiàn)，包括初始化模塊、頻率測量模塊、量程自動切換模塊以及顯示模塊等。軟件編程采用功能強(qiáng)大、兼容性強(qiáng)的C語言實(shí)現(xiàn)[5]。分頻器，寄存器，中斷控制，量程檔位，顯示器和計數(shù)/定時器等通過初始化模塊進(jìn)行初始化。其中起到初始化作用的是初始化定時器0和計數(shù)器1，當(dāng)脈沖信號分別經(jīng)過初始化定時器0和初始化計數(shù)器1時，信號每下降一次就會觸發(fā)一次計數(shù)器1，執(zhí)行一次中斷處理，在中斷處理程序中就會相應(yīng)的加1次，如果用下降沿次數(shù)Cnt來表示，即Cnt+1。與此同時，每50 ms觸發(fā)一次定時器0，對下降沿次數(shù)進(jìn)行計數(shù)處理，如果數(shù)據(jù)大于20 kHz，即轉(zhuǎn)入量程自動切換模塊，自動切換量程后，算上100分頻后作為最后的數(shù)據(jù)，計算出信號頻率的實(shí)際值，輸入到顯示模塊，表示數(shù)值。主程序流程如圖3所示。

4 焊接與調(diào)試

焊接是工藝設(shè)計中的重要環(huán)節(jié)，應(yīng)保證焊接工藝質(zhì)量，優(yōu)化排版布局，減小焊接過程對元器件的損傷[6]。同時盡可能減少程序調(diào)試，達(dá)到理想的指標(biāo)和要求。首先，焊接輸入波形的整形放大電路，通過示波器觀察輸入波形和輸出波形，若波形出現(xiàn)偏差，檢查各元器件引腳焊接是否存在“虛焊”現(xiàn)象，或者引腳連接是否正確，發(fā)現(xiàn)問題，及時調(diào)整，直至出現(xiàn)正確的波形；其次，焊接分頻電路和顯示電路接入函數(shù)信號發(fā)生器，調(diào)節(jié)頻率為1 Hz～20 MHz范圍內(nèi)的方波、三角波、正弦波，觀察顯示是否正確，若不正確，重新調(diào)試；最后將兩部分電路連接起來再調(diào)試，多次復(fù)測，直至出現(xiàn)正確結(jié)果。在Proteus中繪制仿真圖，若輸出準(zhǔn)確波形，則說明電路符合設(shè)計要求，再繪制電路原理圖，最后用Keil軟件進(jìn)行軟件編程及調(diào)試，直至出現(xiàn)正確結(jié)果[7]。

圖3 主程序流程圖

表1 正弦波的測量值

5 結(jié) 語

本文基于STC89C52單片機(jī)設(shè)計的頻率計適用于多種場合，可準(zhǔn)確測量常見波形的頻率值，具有高精確度，操作簡單，顯示速度快，自動測量等優(yōu)點(diǎn)。雖然可測量1 Hz～20 MHz之間的頻率，但仍存在一定的局限性，當(dāng)測量頻率接近20 MHz時，誤差增大，還需改進(jìn)。

[1]吳佳軍.簡易數(shù)字頻率計的設(shè)計分析[J].無線互聯(lián)科技，2017（15）：69-70.

[2]李朝陽.數(shù)字頻率計的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J].電子測試，2017（14）：5-6.

[3]張國勤.基于單片機(jī)與FPGA的等精度頻率計設(shè)計[J].四川兵工學(xué)報，2015，36（12）：85-88.

[4]宋璐，衛(wèi)亞博，馮艷平.基于單片機(jī)的數(shù)字頻率計的設(shè)計和仿真[J].電子設(shè)計工程，2017，25（1）：140-142.

[5]張玉葉，郗艷華.一種100 MHz數(shù)字頻率計的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J].陜西理工學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2016，32（4）：11-16.

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