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1、摘 要本数字频率计的功能是测量正弦波、方波的频率和周期以及脉冲的宽度和占空比，不同测量功能用不同颜色的发光二级管指示。待测信号正弦波、方波的频率为0.1Hz20MkHz、幅度为0.1V10V，脉冲波宽度大于100s、幅度为0.1V10V、占空比为5%95%。本方案主要以STC89C52单片机为核心，主要分为电源模块、放大整形模块、分频模块、单片机模块和显示模块。待测信号先进入信号放大电路进行放大，再被送到波形整形电路整形为标准方波。低于1Hz的信号利用单片机的定时器测其周期，等于或高于1Hz的信号利用单片机的计数器和定时器的功能对待测信号进行计数。定时时间为1s，单片机产生的时标信号频率为1M
2、Hz。脉冲的宽度也利用单片机定时器测量。编写相应的程序可以使单片机自动切换量程，并把测出的频率数据送到LCD1602显示。关键词：频率计 单片机 自动切换量程1、方案选择 1.1、方案比较方案一：本方案主要以单片机为核心，利用单片机的计数、定时功能来实现频率的计数，并且利用单片机的动态扫描法把测出的数据送到1602显示电路显示。其原理框图如图1所示。信号放大电路信号整形电路单片机STC89 C52 1602 显示 电路图1 方案一原理框图方案二：本方案主要以数字器件为核心，主要分为时基电路、逻辑控制电路、放大整形电路、闸门电路、计数电路、锁存电路、译码显示电路七大部分。其原理框图如图2所示。逻
3、辑控制电路时基电路放大整形电路闸门电路计数器锁存器译码显示器图2 方案二原理框图 1.2、方案论证方案一：本方案主要以单片机为核心，待测信号先进入信号放大电路进行放大，再被送到波形整形电路整形，把待测信号整形为标准方波。利用单片机的计数器和定时器的功能对被测信号进行计数。编写相应的程序可以使单片机自动调节测量的量程，并把测出的频率数据送到显示电路显示。方案二：本方案使用大量的数字器件，待测信号经放大整形电路变成计数器所要求的脉冲信号，其频率与待测信号的频率相同。同时时基电路提供标准时间基准信号，其高电平持续时间1s，当1s信号来到时，闸门开通，待测脉冲信号通过闸门，计数器开始计数，直到1s信号
4、结束闸门关闭，停止计数。若在闸门时间1s内计数器计得的脉冲个数为N，则被测信号频率 Hz （公式1）逻辑控制电路的作用有两个：一是产生锁存脉冲，使显示器上的数字稳定；二是产生清零脉冲，使计数器每次测量从零开始计数。 1.3、方案选择比较以上两种方案可以知道，方案一的核心是单片机，使用的元器件少，原理电路简单，调试简单只要改变程序的设定值则可以实现不同频率范围的测试，能自动选择测试的量程。与方案一相比较方案二则使用了大量的数字元器件，原理电路复杂，硬件调试麻烦。基于上述比较，所以选择了方案一。2、测量原理待测信号，通过放大器放大后，进入整形器加以整形变为相同频率的矩形波，并送入单片机的某个I/O
5、口。图3说明了测量低频矩形波周期的原理。图3 测量低频矩形波周期的原理图上升沿打开定时器下降沿读取定时器值并保存下一个上升沿关闭定时器，读取定时器值并保存如图3所示，当脉冲的上升沿来临时，将定时器打开；紧接着的下降沿来临时，读取定时器的值，假设定时时间为t1；下一个上升沿来临时关闭定时器，读取定时器的值，假设定时时间为t2。t1即为1个周期内高电平的时间，也即脉冲宽度，t2即为脉冲的周期。t1/t2即为占空比，1/t2即为频率。较高频率的测量采用计数器和定时器的功能。待测信号经过放大整形后送入主门的输入端，每来一个脉冲，计数值自动加一。若在一定的时间间隔T内累计脉冲的次数为N，则频率的表达式为
6、： （公式2）图4说明了在一定时间间隔内累计脉冲次数的原理。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4 测量低频矩形波周期的原理图如图4所示，测量的脉冲个数的误差会在1之间，所测频率的误差最大为 （公式3）显然，减小误差的方法，就是增大N。由此可见，此法适合于测高频信号。A/D模块确定频率大致范围3、总体设计选择分频比待 测信 号图5 频率计总体设计框图放大整形电路分频电路单片机STC89 C52 1602 显示 电路频率计总体设计共包括六大模块：单片机控制模块、电源模块、放大整形模块、分频模块、显示模块及A/D模块。各模块作用如下：1、 单片
7、机模块：以STC89C52单片机为控制核心，来完成待测信号的计数和显示以及对分频比的控制。利用其内部的定时计数器完成待测信号周期频率的测量。单片机STC89C52内部具有2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。2、放大整形模块：放大电路是对幅度较小的待测信号进行放大，对幅度较大的待测信号进行限幅。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。3、分频模块：考虑单片机外部计数，使用12 MHz时钟时，最大计数速率为500 KHz，因此需要外部分频。分频电路用于扩展单片机频率测量范围，并实现单片机频率测量使用统一信号，可使单片机
8、测频更易于实现，而且也降低了系统的测频误差。用两片74LS161芯片分别进行外部十分频、百分频。4、显示模块：显示电路采用LCD1602液晶显示，不仅可以显示十进制数字，还可以显示字符，用以表示待测物理量的单位。5、A/D模块：采用TLC549芯片，通过调节电位器改变输给TLC549的电压，采集其输出的数字量转化成其对应的延时时间，实现显示刷新时间15秒连续可调的功能。6、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、放大整形电路以及分频电路提供电源，电压要求稳定、噪声小及性价高的电源。4、硬件设计 4.1、单片机模块STC89C52是一种高性能低功耗的采用CMOS工艺制造的8位微控
9、制器，它提供下列标准特征：8K字节的程序存储器，128字节的RAM，32条I/O线，3个定时器，8个中断，软件设置低能耗模式、看门狗和断电保护。可以在4V到5.5V宽电压范围内正常工作。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。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
10、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。AD_CLKAD_CSAD_DO信号输入Clear 分频器清零LCD1602D0D7信号输入Key4 占空比Key2 周期Addr2Addr0Key3 脉宽Key1 频率Addr1LCD_ELCD_RS图6 单片机最小系统图 4.2、放大整形模块由于输入的信号可以是正弦波，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。在测量的时候，首先通过整形电路将正弦波转化成矩形波。在整形之前由于不清楚待测信号的强弱的情况，所以在通过整形之前通过放
11、大衰减处理。幅度较小的信号进行放大，幅度较大的信号进行限幅。放大电路放大整形电路采用高频晶体管S9018与74LS00等组成。其中S9018为NPN型高频小功率三极管，组成放大器将输入频率为的周期信号如正弦波及方波等波形进行放大。与非门74LS00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。具体放大整形电路如图7所示。图7 放大整形电路图 4.3、分频模块本频率计的设计以STC89C52单片机为核心，利用他内部的定时计数器完成待测信号周期频率的测量。单片机STC89S52内部具有2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
12、功能。在定时器工作方式下，在被测时间间隔内，每来一个机器周期，计数器自动加1（使用12 MHz时钟时，每1s加1），这样以机器周期为基准可以用来测量时间间隔。在计数器工作方式下，加至外部引脚的待测信号发生从1到0的跳变时计数器加1，这样在计数闸门的控制下可以用来测量待测信号的频率。外部输入在每个机器周期被采样一次，这样检测一次从1到0的跳变至少需要2个机器周期（24个振荡周期），所以最大计数速率为时钟频率的124（使用12 MHz时钟时，最大计数速率为500 kHz），因此采用74LS161进行外部十分频使测频范围达到5MHz,十分频使测频范围达到20MHz。为了测量提高精度，当被测信号频率值
13、较低时，直接使用单片机计数器计数测得频率值；当被测信号频率值较高时采用外部十分频或百分频后再计数测得频率值。这两种情况使用74LS151进行通道选择，由单片机先简单测得被测信号是高频信号还是低频信号，然后根据信号频率值的高低进行通道的相应导通，继而测得相应频率值。图8 74LS161引脚图表1 74LS161功能表 清零R预置PE 使 能CEP CET时钟CP预置数据输入A B C D输出Q0 Q1 Q2 Q3L L L L LHL 上升沿A B C DA B C DHHL 保 持HH L 保 持HHH H上升沿 计 数从74LS161功能表功能表中可以知道，当清零端R=“0”，计数器输出Q3
14、、Q2、Q1、Q0立即为全“0”，这个时候为异步复位功能。当R=“1”且PE=“0”时，在CP信号上升沿作用后，74LS161输出端Q3、Q2、Q1、Q0的状态分别与并行数据输入端D3、D2、D1、D0的状态一样，为同步置数功能。而只有当R=PE=CEP=CET=“1”、CP脉冲上升沿作用后，计数器加1。74LS161还有一个进位输出端CO，其逻辑关系是CO= Q0Q1Q2Q3CET。合理应用计数器的清零功能和置数功能，一片74LS161可以组成16进制以下的任意进制分频器。图9 74LS151引脚图表2 74LS151功能表A2A1A0SQXXX100000D00010D10100D20110D31000D41010D51100D61110D7数据选择端（A2A1A0）按二进制译码，以从8个数据（D0D7）中选取1个所需的数据。只有在选通端S为低
