频率计设计全过程

一、前言

本文以AT89C51单片机为控制器件的频率测量方法,并用汇编语言进行设计,采用单片机智能控制,结合外围电子电路,得以高低频率的测量。根据频率计的特点,可广泛应用于各种测试场所。

二、系统概述

本文设计了一种基于单片机的简易数字频率计。

(一)系统设计任务
设计一简易数字频率计,其基本要求是: (1)被测信号可以是正弦波、三角波、方波。(2)频率测量范围为0.1HZ-10MHZ信号。(3)频率测量准确度:公式。(4)显示方式为六位十进制数显示。(5)使用PROTEUS软件进行仿真。

(二)系统组成
频率计由单片机AT89C51、信号预处理电路、测量数据显示电路和系统软件所组成,其中信号预处理电路包含待测信号放大、波形变换、波形整形和分频电路。
系统软件包括测量初始化模块、显示模块、信号频率测量模块、量程自动转换模块、信号周期测量模块、信号定时器中断服务模块、二进制数到BcD码转换模块。

(三)系统原理
频率的定义是:单位时间(1S)内周期信号的变化次数。若在一定时间间隔T内测得周期信号的重复变化次数为N,则其频率为f=N/T。本频率计的设计以AT89C51单片机为核心,利用它内部的定时/计数器完成待测信号频率、周期的测量。单片机AT89C51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中断要求的功能。在构成为定时器时每个机器周期加1(使用12MHZ时钟时,每IUS加1),这样以机器周期为基准可以用来测量时间间隔。在构成计数器时,在相应的外部引脚发生从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1/24(使用12MHZ时钟时,最大计数速率为500KHZ)。定时/计数器的工作由相应的运行控制位TR控制,当TR置1,定时/计数器开始计数;当TR清0,停止计数。

三、放大整形电路

放大整形电路由晶体管3DG100与施密特触发器等组成,其中3DG100组成放大器将输入频率为f的周期信号如正弦波、三角波等进行放大。施密特触发器对放大器的输出信号进行整形,使之成为矩形脉冲。

(一)信号预处理电路
1、555定时器及其组成的施密特触发器。555定时器是一种多用途的单片集成电路,利用它可以方便地构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器等。
2、分频电路。单片机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。单片机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1/24(使用12MHZ时钟时,最大计数速率为500KHZ)。由于设计所测量信号最高频率为10MHZ,单片机无法测量,所以要经过分频电路分频后才能通过单片机测量。本设计使用同步二进制计数器74LSl60实现分频。

(二)测量控制电路
单片机AT89C51完成整个测量电路的控制和数据处理。AT89C51从74LS160构成的分频器读回计数数据进行处理运算,并向显示电路输出测量结果。
1、AT89C51单片机简介。AT89C51有40个引脚,32个外部双向输入/输出(1/0)端口,同时内含2个外中断口,2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口,2个读写口线,AT89C5l可以按照常规方法进行编程,也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起,是可反复擦写的Flash存储器,可有效地降低开发成本。
2、单片机系统外围电路。
(1)振荡器和时钟电路。在单片机的内部有一个反相放大器来构成振荡器,产生时钟。可以在XTALI和XTAL2端外接石英晶体作为定时元件,内部反相放大器自激振荡,产生时钟。其中c1,c2两个电容是作为石英晶体振荡器的频率补偿。外接石英晶体时,电容c1和c2的值常选择为30PF左右:外接陶瓷谐振器时,c1和c2的值均为47PF。接入电容C1和C2有利于振荡器起振,对频率有微调作用。振荡频率由石英晶体的谐振荡频率确定。一般,振荡频率是1.2-12。为了减少寄生电容,更好地保证振荡器稳定可靠地工作,石英晶体或陶瓷振荡器和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近。
　(2)复位和复位电路。①上电复位:所谓上电复位是指单片机只要一上电,便自动地进入复位状态。在通电瞬间,电容c通过电阻R充电,RST端出现正脉冲,用以复位。关于参数的选定,应保证复位高电平持续时间(即正脉冲宽度)大于2个机器周期。当采用的晶体频率为6MHz时,可取C=22μF,R=IKΩ;当采用晶体为12MHZ时,可取C=10μF,R=10κΩ。②手动复位:所谓手动复位,是指通过接一按钮,使单片机进入复位状态。系统上电后,若需要复位,一般都是通过手动复位来是实现的。只需要加上时钟电路和复位电路,单片机就可以上电工作了。

(三)频率显示电路
本系统中,选用一个8位锁存器74LS373实现动态显示。当锁存信号CP的正跳变到来时,锁存器的输出等于输入,从而将计数器的输出值送到锁存器的输出端。高电平结束后,无论D为何值,输出端的状态仍保持原来的状态不变。所以在计数期间内,计数器的输出不

会送到译码显示器(LED)。工作原理是CPU通过向字段输出口送出字型码时,所有显示器接收到相同的字型码,但究竟是哪个显示器亮,则取决于COM端即s0、s1、s2、s3。

四、频率计调试及误差分析

设计完成后,首先可用万能表检查线路连接及焊接情况。电源和地线的检查尤为重要,如果连接有误会导致电路短路,烧坏芯片。
接着通电检查测试口是否通过,LED数码管是否点亮。这也可以检查线路是否连接正确。然后利用Keil将程序加到硬件上用伟福仿真器进行仿真调试。调试过程可以利用对部分给定频率的测量结果分析来完成。对比频率计引入信号到本设计频率计的输入端,同时观察两频率的对比。