基于單片機頻率計的設計

1、基于單片機的頻率計的設計楊丹（080307093）指導老師：郭玉 摘 要：在電子技術中，頻率是最基本的參數(shù)之一，并且與許多電參量的測量方案、測量結果都有十分密切的關系，因此頻率的測量就顯得更為重要。本設計所要介紹的是以單片機89C51為核心設計了一種頻率計。在本文的設計采用單片機內(nèi)部的定時器/計數(shù)器對脈寬的機器周期數(shù)進行計數(shù),從而求得被測信號的頻率值, 最后通過靜態(tài)顯示電路顯示數(shù)值由于單片機內(nèi)部振蕩頻率很高, 所以一個機器周期的量化誤差相當小, 可以有效地提高低頻信號的測量準確性。關鍵詞: 單片機 頻率計數(shù)器 設計 測量準確性 Design of the Frequency Based on

2、Singlechip Yangdan (0803070930) Instructor: GuoyuAbstract : In the Electrical Technology,frequency is one of the basic parameters,What is more ,it connectss with measuring means and measuring reasults of many electrical parameters,so frequency measuring is more important.The design is a frequency co

3、unter whose nucleus is singlechip89C51.It uses the timer or counter of singlechip which countes the machine cycle of impulse width,and we will get the frequency results of measured signal. At last,by static displaying circuit and results.The hunting frequency of singlechip is so high, that the error

4、 of machine cycleis slow,so it can improve the measuring veracity of low frequency in effect.Key words : Singlechip Frequency counter Design Measuring veracity引言頻率計數(shù)器是測量信號頻率的裝置, 也可以用來測量方波脈沖的脈寬通常頻率以數(shù)字形式直接顯示出來, 簡便易讀, 即所謂的數(shù)字頻率計頻率測量對生產(chǎn)過程監(jiān)控有很重要的作用, 可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運行中的異常情況, 以便迅速作出處理,傳統(tǒng)的頻率計采用測頻法測量頻率, 通常由組合電路和時序電路等大

5、量的硬件電路構成, 產(chǎn)品不但體積較大, 運行速度慢, 而且測量低頻信號時不宜直接采用基于單片機技術,而數(shù)字式頻率計數(shù)器具有操作簡單方便、響應速度快、體積小等一系列優(yōu)點, 可以及時準確地測量低頻信號的頻率。頻率計最基本的工作原理為：當被測信號在特定時間段T內(nèi)的周期個數(shù)為N時，則被測信號的頻率f=N/T。在一個測量周期過程中，被測周期信號在輸入電路中經(jīng)過放大、整形、微分操作之后形成特定周期的窄脈沖，送到主門的一個輸入端。主門的另外一個輸入端為時基電路產(chǎn)生電路產(chǎn)生的閘門脈沖。在閘門脈沖開啟主門的期間，特定周期的窄脈沖才能通過主門，從而進入計數(shù)器進行計數(shù)，計數(shù)器的顯示電路則用來顯示被測信號的頻率值，內(nèi)

6、部控制電路則用來完成各種測量功能之間的切換并實現(xiàn)測量設置。頻率計的基本原理是用一個頻率穩(wěn)定度高的頻率源作為基準時鐘，對比測量其他信號的頻率。通常情況下計算每秒內(nèi)待測信號的脈沖個數(shù)，此時我們稱閘門時間為1秒。閘門時間也可以大于或小于一秒。閘門時間越長，得到的頻率值就越準確。數(shù)字頻率計是數(shù)字電路中的一個典型應用, 實際的硬件設計用到的器件較多, 連線比較復雜, 而且會產(chǎn)生比較大的延時, 造成測量誤差、可靠性差。隨著復雜可編程邏輯器件( CPLD) 和功能越來越強大的單片機的廣泛應用。數(shù)字頻率計是一種用十進制數(shù)字顯示被測信號頻率的數(shù)字測量儀器, 它的基本功能是測量正弦信號、方波信號、尖脈沖信號及其他

7、各種單位時間內(nèi)變化的物量。在AT89C51 單片機上實現(xiàn)的頻率計, 整個系統(tǒng)非常精簡, 而且具有靈活的現(xiàn)場可更改性。在不更改硬件電路的基礎上, 對系統(tǒng)進行各種改進還可以進一步提高系統(tǒng)的性能。該數(shù)字頻率計具有高速、精確、可靠、抗干擾性強和現(xiàn)場可編程等優(yōu)點。一 89C51介紹本頻率計的設計以AT89C51 單片機為核心，頻率測量電路選用89C51 作為頻率計的信號處理核心。89C51 包含2個16 位定時/ 計數(shù)器、1 個具有同步移位寄存器方式的串行輸入/ 輸出口和4K×8 位片內(nèi)FLASH 程序存儲器。16 位定時/ 計數(shù)器用于實現(xiàn)待測信號的頻率測量或者待測信號的周期測量。同步移位寄存

8、器方式的串行輸入/ 輸出口用于把測量結果送到顯示電路。4K×8 位片內(nèi)FLASH 程序存儲器用于放置系統(tǒng)軟件。89C51 與具有更大程序存儲器的芯片管腳兼容，如：89C52(8K×8 位)或89C55(32K×8 位)，為系統(tǒng)軟件升級打下堅實的物質(zhì)基礎。利用它內(nèi)部的定時/ 計數(shù)器完成待測信號周期/ 頻率的測量。單片機AT89C51 內(nèi)部具有2 個16 位定時/ 計數(shù)器，定時/ 計數(shù)器的工作可以由編程來實現(xiàn)定時、計數(shù)和產(chǎn)生計數(shù)溢出中斷要求的功能。在構成為定時器時，每個機器周期加1(使用12MHz 時鐘時，每1us 加1)，這樣以機器周期為基準可以用來測量時間間隔。在

9、構成為計數(shù)器時，在相應的外部引腳發(fā)生從1 到0 的跳變時計數(shù)器加1，這樣在計數(shù)閘門的控制下可以用來測量待測信號的頻率。外部輸入每個機器周期被采樣一次，這樣檢測一次從1 到0 的跳變至少需要2 個機器周期(24 個振蕩周期)，所以最大計數(shù)速率為時鐘頻率1/24(使用12MHz時鐘時，最大計數(shù)速率為500KHz)。定時/ 計數(shù)器的工作由相應的運行控制位TR 控制，當TR 置1，定時/ 計數(shù)器開始計數(shù)；當TR 清0，停止計數(shù)。在單片機應用系統(tǒng)中，常用的顯示器主要有LED和LCD。共陰級八段數(shù)碼管圖如圖（1）和圖（2）所示。AT89C51管腳圖如圖（3）所示： 圖（1） 圖（2） 圖（3）二 系統(tǒng)設計

10、測量方案有很多種，如頻率測量，周期測量，脈寬測量，占空比測量等。頻率測量采用直接測量法時，當待測信號頻率較低時，誤差較大。間接測量法在低頻段的測量精度高，但高頻段的誤差較大。組合測頻法在低頻時采用直接測量周期法測信號周期，然后換算成頻率。高頻時采用直接測頻法，這種方法在一定程度上彌補了上述兩種方法的不足，但是難以確定最佳分測點，且電路設計較復雜。因此要采用合理的組合方案。當信號為方波和正弦波，幅度為0.55V,頻率為0.1Hz30MHz,頻率測量誤差為0.1% 。周期測量方案與頻率測量方案選擇類似。當信號為方波和正弦波，幅度為0.55V,頻率為1Hz1MHz,周期測量誤差為0.1%，頻率為1H

11、z1KHz,周期測量誤差為1%。測量并顯示周期脈沖信號的占空比，占空比變化范圍為10%90%。在測量脈沖寬度和占空比時，首先經(jīng)信號處理電路進行處理，脈沖邊沿被處理得非常陡峭。為了提高測量精度，在測量脈寬或占空比時采用了數(shù)字均值濾波技術。脈寬測量，信號為脈沖波，幅度為0.55V，脈沖寬度為100us，脈沖寬度測量誤差為1%。 采用十進制數(shù)字顯示，顯示刷新時間110s連續(xù)可調(diào)，能對上述三種測量功能分別用不同顏色的發(fā)光二極管指示。并且具有自校功能，時標信號頻率為1MHz。 采用FPGA等可編程器件可以方便的完成不同測量原理的頻率計設計。以單片機為核心的頻率計系統(tǒng)框圖如圖（4）所示，采用高阻抗，高增益

12、的前端放大器和分頻器，采用屏蔽，看門狗，軟件陷阱以及軟件容錯等多種軟件抗干擾措施。將被測量的輸入信號（0.1Hz30MHz）劃分成0.11Hz，1Hz50KHz，50KHz1MHz，130MHz四個頻率段。首先對小于1MHz與大于1MHz的信號采用兩個預處理放大器，分別進行放大。然后，對放大器的信號進行整形，分頻處理。最后，利用單片機進行頻率，周期，脈寬，占空比的測量和計算處理，并將運算結果串行輸出到數(shù)碼顯示。 圖（4）三 軟件設計 基于單片機數(shù)字頻率計設計的主程序框圖如圖（5）所示 圖（5）在頻率測量中，由于設計要求的被測頻率范圍較寬，為了便于信號的放大和測量，把整個測量頻率范圍劃分為4個頻

13、段：在0.11Hz頻段內(nèi)，設定閘門時間為10s,由定時器T0定時20ms，時標信號為0.5us，循環(huán)500次得到，并由它控制計數(shù)器T1計數(shù)脈沖個數(shù)，把計得的脈沖數(shù)除以10得到頻率。在1Hz50kHz頻段內(nèi)，由定時器T0定時20ms，時標信號為0.5us，循環(huán)50次得到1s的閘門時間，并由其控制計數(shù)器T1計數(shù)脈沖個數(shù)，計得的脈沖數(shù)即為信號頻率。在50kHz1MHz頻段內(nèi)，先經(jīng)16分頻，使其頻率降為312562500Hz，閘門時間設為1s，又T0作為閘門時間計數(shù)器，又T1計數(shù)被測脈沖個數(shù)，由T1中的數(shù)值乘以16即為頻率，其絕對誤差為+16Hz或-16Hz，最大相對誤差為(16Hz)/(50KHz)

14、=0.032%。在130Hz頻段內(nèi)，信號經(jīng)512分頻，閘門時間為1s，由定時器T0提供閘門時間，由T1計數(shù)被測脈沖個數(shù)，信號頻率等于T1計數(shù)值乘以512。這樣，測量最大的絕對誤差為+512Hz或-512Hz，最大相對誤差為(512Hz)/(1MHz)=0.0512%，可以達到設計精度要求。在周期測量中，信號在1kHz以上，由定義可知周期T=1/f，先測量頻率后取倒數(shù)就可得到周期。在1kHz以下的周期測量中，用被測量信號啟動/停止計數(shù)器T0測量正脈沖脈寬T+，用被測量信號啟動/停止計數(shù)器T1測量負脈沖脈寬T_，通過數(shù)據(jù)處理T+T_，再乘以時標0.5us，即為周期，最大絕對誤差為+0.5us或-0

15、.5us。在測量脈寬時，由外部信號的高電平啟動計數(shù)器T1計數(shù)，當信號變?yōu)榈碗娖綍r，T1計數(shù)器停止工作，此時T1的計數(shù)值乘以0.5us即為脈寬，其最大絕對誤差為+0.5us或-0.5us。在測量占空比時，先測量信號的脈寬和周期，為保證測量精度，采用周期除以脈寬（用4字節(jié)乘、除法實現(xiàn)），再去倒數(shù)可得占空比。四 結論單片機是一種集成在電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時器/計時器等功能（可能還包括顯示驅動電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉換器、A/D轉換器等電路）集成到一塊硅片上構成的一個小而完善的計算機

16、系統(tǒng)。頻率計是一種專門對被測信號頻率進行測量的電子測量儀器。頻率計主要由四個部分構成：時基（T）電路、輸入電路、計數(shù)顯示電路以及控制電路?；趩纹瑱C設計的數(shù)字頻率計具有原理簡單、易于調(diào)試和測量方便等優(yōu)點，主要用來測量低頻信號的頻率。由于其測量范圍會受單片機計數(shù)速率的限制，其測量量程較小，所以可以從原理上進行改進以提高其測頻范圍，比如通過增加分頻電路，就可實現(xiàn)對高頻信號的測量。本文所介紹的頻率計的設計方法，所制作的頻率計需要外圍器件較少，所以該頻率計應用周期測量和相應的數(shù)學處理實現(xiàn)低頻段的頻率測量，因此很容易擴展實現(xiàn)信號的周期測量和占空比測量。參考文獻：1吳居娟,齊娟. 基于可編程增益放大器的多路高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計J. 煤礦現(xiàn)代化, 2007(05).2何立民. 單片機應用技術選編（7）. 北京：北京航空航天大學出版社，19993丁鳴艷,李文. 基于多路數(shù)據(jù)采集的交流調(diào)速系統(tǒng)設計J. 機械與電子, 2007(10)4王福瑞. 單片微機測控系統(tǒng)設計大全. 北京：北京航空航天大學出版社，19985孫育才. 單片微機應用系統(tǒng)設計與實現(xiàn). 南京：東南大學出版社，19906 閻金鐸等編寫. 普通物理教學手冊M