高頻數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)

沈陽工學(xué)院信息與控制學(xué)院 田楊楊 賈 婷 趙樹禮 張 琪

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高頻數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)

沈陽工學(xué)院信息與控制學(xué)院 田楊楊 賈 婷 趙樹禮 張 琪

【摘要】本文設(shè)計(jì)了一種以單片機(jī)STC12C5201AD為核心的數(shù)字頻率計(jì),其中硬件部分主要是由整形電路、單片機(jī)最小系統(tǒng)和顯示單元組成的，軟件設(shè)計(jì)是由一些功能模塊來實(shí)現(xiàn)的。此外，通過控制單片機(jī)的各項(xiàng)功能和運(yùn)算操作能力進(jìn)而來實(shí)現(xiàn)周期和頻率間的計(jì)數(shù)和數(shù)據(jù)的顯示。本設(shè)計(jì)中的頻率計(jì)具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、測(cè)量方便、擴(kuò)展能力強(qiáng)，適用范圍廣等特點(diǎn),適合測(cè)量低頻信號(hào)，能基本滿足一般情況下的需求。另外，由于本設(shè)計(jì)采用了模塊化的設(shè)計(jì)方法，提高了測(cè)量頻率的范圍。

【關(guān)鍵詞】頻率測(cè)量；頻率計(jì)；單片機(jī)；LCD顯示

1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1總體設(shè)計(jì)

本頻率計(jì)數(shù)器嚴(yán)格地按照f=N/T公式進(jìn)行測(cè)頻。由于數(shù)字測(cè)量的離散性，被測(cè)頻率在計(jì)數(shù)器中所記進(jìn)的脈沖數(shù)可有正一個(gè)或負(fù)一個(gè)脈沖的±1量化誤差，在不計(jì)其他誤差影響的情況下，測(cè)量精度將為：&(fA)=1/N。應(yīng)當(dāng)指出，測(cè)量頻率時(shí)所產(chǎn)生的誤差是由N和T兩個(gè)參數(shù)所決定的，一方面是單位時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)脈沖個(gè)數(shù)越多時(shí)，精度越高，另一方面T越穩(wěn)定時(shí)，精度越高。為了增加單位時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)脈沖的個(gè)數(shù)，一方面可在輸入端將被測(cè)信號(hào)倍頻，另一方面可增加T來滿足，為了增加T的穩(wěn)定度，只需提高晶體振蕩器的穩(wěn)定度和分頻電路的可靠性就能達(dá)到。上述表明，在頻率測(cè)量時(shí)，被測(cè)信號(hào)頻率越高，測(cè)量精度越高。其總體原理框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)流程圖

1.2單元電路設(shè)計(jì)

1.2.1放大電路

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的放大整形電路如圖2所示。輸入信號(hào)首先經(jīng)高精度大帶寬運(yùn)算放大器OPA690放大。

1.2.2整形電路

本系統(tǒng)低功耗精密比較器MAX913整形電路如圖3所示，整形電路提高了系統(tǒng)測(cè)量精度和靈敏度。最后輸出的矩形波信號(hào)送入頻率測(cè)量電路。

1.2.3分頻電路

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中分頻電路如圖4所示。分頻器合理地分割各單元的工作頻段，進(jìn)行各單元功率分配，使各單元之間具有恰當(dāng)?shù)南辔魂P(guān)系以減少各單元在工作中出現(xiàn)的聲干涉失真。

圖2　放大電路圖

圖3　整形電路

圖4　分頻電路

1.2.4單片機(jī)

本系統(tǒng)采用STC12C5201AD單片機(jī)，此系列單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期(1T)的單片機(jī)，是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8-12倍。STC12C5201AD系列工作電壓：5.5V-3.3V（5V單片機(jī)）STC12LE5201AD系列工作電壓：3.6V-2.2V（3V單片機(jī)），工作頻率范圍：0-35MHz，相當(dāng)于普通8051的0-20MHz內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，2路PWM，8路高速8位A/D轉(zhuǎn)換(300K/S)，針對(duì)電機(jī)控

制，強(qiáng)干擾場(chǎng)合。單片機(jī)電路如圖5所示：

圖5　單片機(jī)電路圖

2　系統(tǒng)測(cè)試

測(cè)試1：輸入信號(hào)為正弦波時(shí)，幅度值為300mV時(shí)不同頻率以及實(shí)際測(cè)量值的對(duì)比。

測(cè)試2：輸入信號(hào)為正弦波時(shí)，且幅度值為0.9V時(shí)不同頻率以及實(shí)際測(cè)量值的對(duì)比。

測(cè)試3：輸入信號(hào)為方波時(shí)，且幅度值為500mV時(shí)不同頻率以及實(shí)際測(cè)量值的對(duì)比。

3　結(jié)論

由于系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)合理，功能電路實(shí)現(xiàn)較好，性能優(yōu)良、穩(wěn)定，較好地達(dá)到了題目要求的基本要求以及部分發(fā)揮要求。1)正弦波頻率范圍在1—20M之間，相對(duì)誤差絕對(duì)值小于萬分之一。2)被測(cè)電壓有效值在140mV—1V之間。3)指示燈表示單片機(jī)是否正常工作。

參考文獻(xiàn)

[1]謝自美.電子線路設(shè)計(jì).實(shí)驗(yàn).測(cè)試[M].武漢:華中理工大學(xué)出版社,2000.

[2]閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:高等教育出版社,2006.

[3]付家才.電子實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐[M].北京:高等教育出版社,2004.

賈婷，女，講師，現(xiàn)供職于沈陽工學(xué)院信息與控制學(xué)院。

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