基于單片機的高精度數(shù)字頻率計的設(shè)計與實現(xiàn)

康嘉寧 楊抒濃 王云天 付麗華

沈陽工學(xué)院信息與控制學(xué)院

基于單片機的高精度數(shù)字頻率計的設(shè)計與實現(xiàn)

康嘉寧 楊抒濃 王云天 付麗華

沈陽工學(xué)院信息與控制學(xué)院

本文提出了一個基于單片機的高精度數(shù)字頻率計的設(shè)計。該設(shè)計以51單片機為微處理器，包括放大電路、整形電路、分頻電路和顯示電路，可以實現(xiàn)方波、三角波、正弦波的頻率檢測，最后通過程序控制，實現(xiàn)小信號、高精度的頻率檢測，從而完成具有數(shù)字顯示的功能頻率計的設(shè)計。該數(shù)字頻率計具有操作簡單、檢測精度高、顯示直觀等特點。

單片機 小信號 高精度 頻率計

數(shù)字頻率計(Digital Frequency Meter)是采用數(shù)字電路設(shè)計而成的能實現(xiàn)對周期性變化信號頻率測量的儀器。頻率計主要用于測量正弦波、矩形波、三角波和尖脈沖等周期信號的頻率值，其擴展功能可以測量信號的周期和脈沖寬度。

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

1 數(shù)字頻率計工作原理

數(shù)字頻率計的主要功能是測量周期信號的頻率，工作原理如下：

頻率是單位時間（1S）內(nèi)信號發(fā)生周期變化的次數(shù)。如果能夠在給定的1S時間內(nèi)對信號波形計數(shù)，便可以獲得被測信號的頻率。數(shù)字頻率計首先必須獲得相對穩(wěn)定與準確的時間，同時將被測信號轉(zhuǎn)換成幅度與波形均能被數(shù)字電路識別的脈沖信號，然后通過計數(shù)器獲得單位時間內(nèi)的脈沖個數(shù)，將其換算后顯示出來。

數(shù)字頻率計由四部分組成，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：

待測試的小信號，首先經(jīng)過放大電路，放大后的信號，進入整形電路，整形電路的輸出信號為方波，連接MCU的輸入管腳，最后通過程序控制實現(xiàn)計數(shù)功能，再經(jīng)過運算，將單位時間內(nèi)的計數(shù)信息，轉(zhuǎn)換為頻率信息，顯示到液晶屏上。

2 數(shù)字頻率計硬件電路設(shè)計

根據(jù)工作原理，本電路的設(shè)計方案如下：

2.1 放大電路

放大電路的核心芯片為OPA690，實現(xiàn)對微小信號的放大。工作時，只對于幅值低于100mV的信號進行放大，反之，直接進入整形電路。

2.2 整形電路

通過整形電路，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，實現(xiàn)對信號的整形。

2.3 分頻電路

對于頻率較高的信號，啟動分頻電路：二分頻或者四分頻，將信號的頻率降低到51單片機可以檢測出來的范圍內(nèi)。對于頻率小于10MHz的信號，可以直接進入MCU的輸入端口。

2.4 MCU控制電路

在本設(shè)計中，采用了STC12C5206AD單片機作為微處理器，實現(xiàn)信號的檢測、計數(shù)、運算和顯示的驅(qū)動。為了實現(xiàn)精確計數(shù)，采用40MHz的有源晶振。

通過編程，實現(xiàn)對被測信號的下降沿檢測，即計數(shù)功能。在計數(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)計中，以LCD1602作為顯示器，顯示分為兩行，每行可以顯示16個字符，包括數(shù)字和英文字符。

3 數(shù)字頻率計軟件設(shè)計

軟件程序包括如下3個部分：

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中斷的參數(shù)設(shè)置。

3.2 信號檢測和計數(shù)

在完成初始化后，對信號進行檢測，每當(dāng)檢測到一個下降沿時，計數(shù)自動加1。計時結(jié)束時，判斷當(dāng)前的狀態(tài)否為分頻，然后對當(dāng)前的數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的處理。

3.3 數(shù)據(jù)運算

根據(jù)計數(shù)的值與定時中斷的計數(shù)值，進行運算，然后計算出頻率和周期。為了實現(xiàn)精確計算，頻率和周期均采用float型的變量，計算的結(jié)果保留4位小數(shù)。

3.4 顯示驅(qū)動

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)，自動顯示頻率的單位：Hz，kHz和MHz；

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

通過精確的計算，實現(xiàn)了數(shù)字頻率計的高精度等級的測量和直觀的顯示。

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、位移、速度等通過傳感器轉(zhuǎn)換成信號頻率，然后用數(shù)字頻率計來測量。因此，數(shù)字頻率計作為一種最基本的測量儀器以其測量精度高、速度快、操作簡便、數(shù)字顯示等特點被廣泛應(yīng)用。尤其是將數(shù)字頻率計與微處理器相結(jié)合，可實現(xiàn)測量儀器的多功能化、程控化和智能化。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，基于數(shù)字式頻率計組成的各種測量儀器、控制設(shè)備、實時監(jiān)測系統(tǒng)已應(yīng)用到國際民生的各個方面。

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

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

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

康嘉寧，楊抒濃，王云天，沈陽工學(xué)院，學(xué)生。

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