简易数字频率计要领.doc

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0.1Hz~20MkHz、幅度为0.1V~10V，脉冲波宽度大于100μs、幅度为0.1V~10V、占空比为5%～9%。 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1MHz。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。 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。 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口。图3说明了测量低频矩形波周期的原理。 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： （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） 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。 3、总体设计 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： 单片机模块：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 Hz，因此需要外部分频。分频电路用于扩展