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1、简易频率计的设计中 文 摘 要频率测量是电子学测量中最为基本的测量之一。频率计主要是由信号输入和放大电路、单片机模块、及显示电路以及通过串口和 PC 机通信模块组成。STC89S52 单片机是频率计的控制核心，来完成它待测信号的计数，译码，显示以及通过串口和 PC 机通信。利用它内部的定时/计数器完成待测信号频率的测量。在整个设计过程中，所制作的频率计采用外部计数，实现 160KHz，峰峰值在110V 的频率测量。以 STC89S52 单片机为核心，通过单片机内部定时/计数器的门控时间，方便对频率计的测量。其待测频率值使用五位共阴极数码管显示。本次采用单片机技术设计一种数字显示的频率计，具有测
2、量准确度高，响应速度快，体积小等优点。关键词：频率计；单片机；计数器；RS232前言频率测量是电子学测量中最为基本的测量之一。由于频率信号抗干扰性强，易于传输，因此可以获得较高的测量精度。随着数字电子技术的发展，频率测量成为一项越来越普遍的工作，测频原理和测频方法的研究正受到越来越多的关注。1.1 频率计概述数字频率计是计算机、通讯设备、音频视频等科研生产领域不可缺少的测量仪器。它是一种用十进制数字显示被测信号频率的数字测量仪器。它的基本功能是测量正弦信号、方波信号及其他各种单位时间内变化的物理量。在进行模拟、数字电路的设计、安装、调试过程中，由于其使用十进制数显示，测量迅速，精确度高，显示直
3、观，经常要用到频率计。传统的频率计采用测频法测量频率，通常由组合电路和时序电路等大量的硬件电路组成，产品不但体积大，运行速度慢而且测量低频信号不准确。本次采用单片机技术设计一种数字显示的频率计，测量准确度高，响应速度快，体积小等优点 1。1.2 频率计发展与应用在我国，单片机已不是一个陌生的名词，它的出现是近代计算机技术的里程碑事件。单片机作为最为典型的嵌入式系统，它的成功应用推动了嵌入式系统的发展。单片机已成为电子系统的中最普遍的应用。单片机作为微型计算机的一个重要分支，其应用范围很广，发展也很快，它已成为在现代电子技术、计算机应用、网络、通信、自动控制与计量测试、数据采集与信号处理等技术中
4、日益普及的一项新兴技术，应用范围十分广泛。其中以STC89C52 为内核的单片机系列目前在世界上生产量最大，派生产品最多，基本可以满足大多数用户的需要。1.3 频率计设计内容1被测信号为周期性信号（包括正弦波、方波、三角波等） ，频率范围为160KHz，峰峰值在 110V 范围内。2设置“开始/停止”和“工作模式 ”开关。工作模式分为测量外接信号和系统自测两种模式，在测量外接信号模式下，测量外接信号频率；在系统自测模式下，测量 1KHz测试信号的频率。3系统处于工作状态时，数码管实时显示测量信号频率值，每隔 1 秒向 PC 机发送频率数据，频率数据为 ASCII 码，单位为 Hz。 通过开始
5、/停止键控制系统。2.1 测频的原理测频的原理归结成一句话，就是“在单位时间内对被测信号进行计数” 。被测信号，通过输入通道的放大器放大后，进入整形器加以整形变为矩形波，并送入主门的输入端。通过单片机的定时器 T2 通道产生 1 秒的定时。将经过调理电路处理后的被测信号通过定时/计数器输入端 T0 送给，若在一定的时间间隔 T 内累计周期性的重复变化次数 N，则频率的表达式为式：（1）Nfx=T图 1 说明了测频的原理及误差产生的原因。时基信号待测信号丢失（少计一个脉冲） 计到 N 个脉冲 多余（比实际多出了 0.x 个脉冲）图 1 测频原理在图 1 中，假设时基信号为 1KHZ，则用此法测得
6、的待测信号为 1KHZ5=5KHZ。但从图中可以看出，待测信号应该在 5.5KHZ 左右，误差约有 0.5/5.59.1%。这个误差是比较大的，实际上，测量的脉冲个数的误差会在1 之间。假设所测得的脉冲个数为 N，则所测频率的误差最大为 =1（N-1）*100%。显然，减小误差的方法，就是增大 N。本频率计要求测频误差在 1以下，则 N 应大于 1000。通过计算，对 1KHZ 以下的信号用测频法，反应的时间长于或等于 10S， 。由此可以得出一个初步结论：测频法适合于测高频信号。频率计数器严格地按照 公式进行测频 4。由于数字测量的离散性，被测频率在f=T计数器中所记进的脉冲数可有正一个或负
7、一个脉冲的 量化误差，在不计其他误差影响的1情况下，测量精度将为：1()fAN应当指出，测量频率时所产生的误差是由 N 和 T 俩个参数所决定的，一方面是单位时间内计数脉冲个数越多时，精度越高，另一方面 T 越稳定时，精度越高。为了增加单位时间内计数脉冲的个数，一方面可在输入端将被测信号倍频，另一方面可增加 T 来满足，为了增加 T 的稳定度，只需提高晶体振荡器的稳定度和分频电路的可靠性就能达到。上述表明，在频率测量时，被测信号频率越高，测量精度越高。2.2 总体思路频率计是我们经常会用到的实验仪器之一，频率的测量实际上就是在单位时间内对信号进行计数,计数值就是信号频率。本文介绍了一种基于单片
8、机 STC89C52 制作的频率计的设计方法,我们采用单片机直接计数，不进行外部分频。该频率计实现 1HZ60KHZ 的频率测量，五位共阴极动态显示测量结果，同时可以通过 RS232 实现和 PC 机串行通信。即每秒向上位机发送一次频率值。可以测量正弦波、三角波及方波等各种波形的频率值。2.3 具体模块根据上述系统分析，频率计系统设计共包括五大模块：单片机控制模块、电源模块、放大整形模块、串口通信及显示模块。各模块作用如下：1、单片机控制模块：以 STC89C52 单片机为控制核心，来完成它待测信号的计数，译码，和显示以及对串口通信的控制。利用其内部的定时计数器完成待测信号周期频率的测量。单片
9、机 STC89C52 内部具有 3 个 16 位定时计数器，定时计数器的工作可以由编程来实现定时、计数和产生计数溢出时中断要求的功能。(因为 STC89C52 所需外围元件少，扩展性强，测试准确度高。)2、电源模块：为整个系统提供合适又稳定的电源，主要为单片机、信号调理电路以及串口通信电路提供电源，电压要求稳定、噪声小及性价高的电源。3、放大整形模块：放大电路是对待测信号的放大，降低对待测信号幅度的要求。整形电路是对一些不是方波的待测信号转化成方波信号，便于测量。4、串口通信模块：该模块利用 MAX232 电平转换芯片实现 TTL 电平和 232 电平的转换。通过单片机的 RX，TX 引脚与上
10、位机通信实现每秒向 PC 机发送一次实测频率值。5、显示模块：显示电路采用五位共阴极数码管动态显示，为了加大数码管的亮度，使用 74HC573 作为锁存器，74HC138 作为译码器，便于观测。综合以上频率计系统设计有单片机控制模块、电源模块、放大整形模块、串口通信模块及显示模块等组成，频率计的总体设计框图如图 2 所示。 A W 6 0 最小系统整形电路数码管显示模拟开关按键 /开关1 K H z 测试信号R S 2 32 电平转换P C被测信号图 2 频率计总体设计框图硬件电路具体设计3.1 复位电路及时钟电路复位电路和时钟电路是维持单片机最小系统运行的基本模块。复位电路通常分为两种：上电
11、复位（图 4）和手动复位（图 5） 。T单GNDV图 4 上电复位 有时系统在运行过程中出现程序跑飞的情况，在程序开发过程中，经常需要手动复位。所以本次设计选用手动复位。高频率的时钟有利于程序更快的运行，也有可以实现更高的信号采样率，从而实现更多的功能 6。但是告诉对系统要求较高，而且功耗大，运行环境苛刻。考虑到单片机本身用在控制，并非高速信号采样处理，所以选取合适的频率即可。合适频率的晶振对于选频信号强度准确度都有好处，本次设计选取 12.000M 无源晶振接入 XTAL1 和 XTAL2 引脚。并联 2 个 30pF 陶瓷电容帮助起振。STC89C52 单片机最小系统如图 6 所示。图 6
12、 单片机最小系统原理图3.2 信号调理模块由于输入的信号可以是正弦波，三角波。而后面的闸门或计数电路要求被测信号为矩形波，所以需要设计一个整形电路则在测量的时候，首先通过整形电路将正弦波或者三角波转化成矩形波。在整形之前由于不清楚被测信号的强弱的情况。所以在通过整形之前通过放大衰减处理。当输入信号电压幅度较大时，通过输入衰减电路将电压幅度降低。当输入信号电压幅度较小时，前级输入衰减为零时若不能驱动后面的整形电路，则调节输入放大的增益，时被测信号得以放大。根据上述分析，放大电路放大整形电路采用 OP27 与 74LS14N 等组成。其中组成放大器将输入频率为 fx 的周期信号如正弦波、三角波及方
13、波等波形进行放大。与非门 74LS14N 构成施密特触发器，它对放大器的输出波形信号进行整形，使之成为矩形脉冲 11。具体放大整形电路如图 11 所示。 3.3 显示模块：显示电路采用五位共阴极数码管动态显示，为了加大数码管的亮度，使用 74HC573 作为锁存器，74HC138 作为译码器，便于观测。3.4 串口通信模块：该模块利用 MAX232 电平转换芯片实现 TTL 电平和 232 电平的转换。通过单片机的 RX，TX 引脚与上位机通信实现每秒向 PC 机发送一次实测频率值。串口通信电路图3.5 1KHz 方波发生电路：利用 74HC14N 施密特触发器，通过电阻电容的充放电触发输入端
14、，使其输出端产生幅值为 4.97V，频率为 1KHz 的方波。系统的软件设计4.1 软件模块设计系统软件设计采用模块化设计方法。整个系统由初始化模块，信号频率测量模块，串口通信和显示模块等模块组成。系统软件流程如图 19 所示。频率计开始工作或者完成一次频率测量，系统软件都进行测量初始化。测量初始化模块设置堆栈指针（SP）、工作寄存器、中断控制和定时计数器的工作方式。定时计数器的工作首先被设置为计数器方式，即用来测量信号频率 15。开始系统初始化频率测量计数器计数测量频率测量数据显示RS232 串口通信软件整体流程图首先定时计数器的计数寄存器清 0，运行控制位 TR 置 1，启动对待测信号的计
15、数。计数闸门由软件延时程序实现，从计数闸门的最小值（即测量频率的高量程）开始测量，计数闸门结束时 TR 清 0，停止计数。计数寄存器中的数值经过数制转换程序从十六进制数转换为十进制数。定时计数器的工作被设置为定时器方式，定时计数器的计数寄存器清 0，在判断待测信号的上跳沿到来后，运行控制位 TR 置为 1，以单片机工作周期为单位进行计数，直至信号的下跳沿到来，运行控制位 TR 清 0，停止计数。16 位定时计数器的最高计数值为 65535，当待测信号的频率较低时，定时计数器可以对被测信号直接计数，4.2 中断服务子程序T0中断服务子程序流程如图20所示。测频时,定时器T2 工作在定时方式,每次
16、定时50mS ,则T2 中断20 次正好为1秒,即T0用来产生标准秒信号,定时器T0 用作计数器,对待测信号计数,每秒钟的开始启动T2,每秒钟的结束关闭T2 ,则定时器T2 之值就为待测信号的频率。中断开始关外部计数器中断计数器装初值开外部计数器选择相应档位判断计数是否为 1 s中断返回YT0中断服务子程序定时计数器T1工作在计数方式, 对信号进行计数,计数器1中断流程图如图21所示。中断开始中断开始计数器加 1计数器1中断服务子程序4.3 显示及串口通信子程序显示子程序将存放在显示缓冲区的频率或周期值送往数码管上显示出来,由于所有 4 位数码管的 8 根段选线并联在一起由单片机的 P2 口 控制 ,因此,在每一瞬间 4 位数码管会显示相同的字符,要想每位显示不同的字符就必须采用扫描方流点亮各位数码管,即在每一瞬间只点亮某一位显示字符,在此瞬间,段
