一种基于stc89c52宽频带的数字频率计设计

鲁锦涛 苏建加 廖聪裕

中国地质大学（武汉）机械与电子信息学院 430074

一种基于stc89c52宽频带的数字频率计设计

鲁锦涛 苏建加 廖聪裕

中国地质大学（武汉）机械与电子信息学院 430074

本设计给出了以stc89c52为核心数字频率计的设计方案。整个系统包含了放大、整形、分频、测频、按键与显示等模块，将微弱的正弦型号输入到89c52单片机内进行处理，通过测频法和测周法相结合的手段，利用51系列单片机的两个定时器进行测频，送入LCD上进行显示。本测频计频率测试范围达到1HZ—10MHZ，精确度达到了0.1%，实现了高精度的频率测量。

数字频率计；stc89c52单片机

在传统的电子测量仪器中，频谱仪可以准确地测量频率并显示被测信号的频谱，但测量速度较慢，无法实时快速的跟踪捕捉到被测信号频率的变化。示波器在进行频率测量时测量精度较低，误差较大。而频率计能够快速准确的捕捉到被测信号频率的变化，因此，频率计用途十分广泛。本设计给出了一种以stc89c52为核心，采用测频法和测周法相结合，实现宽频带高精度的简易数字频率计的方案。

1 方案设计

1.1 理论分析

用单片机设计频率计通常有两种办法：第一种方法是使用单片机自带的计数器对输入脉冲进行计数，但直接测低频信号很容易产生较大误差；第二种方法是单片机定时器测周长，计算后计算值再由单片机读取，但测量高频信号很容易失真。本设计中采用第一种方法和第二种方法即测频法和测周法相结合的方法，低频测周，高频测频。经过分析易知输入的单片机时钟信号最高频率不得高于11.0592MHz/24=460.8KHz，对外部脉冲的占空比无特殊要求。对于超过460kHz的信号，本设计采用分频电路先将高频的信号通过计数器分频，再由单片机进行处理。

1.2 总体方案设计

本设计以89c52单片机为核心，由放大、整形、分频、测频、按键与显示等模块构成。

2 系统硬件实现

2.1 放大模块

由于输入的信号是比较微弱的信号，所以首先要将微弱的正弦信号放大。同时由于信号的频率范围很广，由1Hz—10MHz，因此需要选择具有很高的宽带增益积和极大的电压摆率的运算放大器。因此TI公司的OPA2652运算放大器做放大电路比较适合。

TI公司的OPA2652具有高宽带增益积、高摆率、低噪声等优点。其700MHz带宽增益积，典型值1.5mV失调，能够很好地达到设计要求。在大于100KHz高频信号中通过OPA2652进行两级放大，放大倍数最高可达1600倍，而且可以避免高频信号的衰减。输入信号的峰值可达到10mV的幅度，频率可达10MHz。在低于100KHz低频信号中可采用INA105，可以精确地达到测频要求。

2.2 比较整形模块

对正弦波进行频率测量，首先要将正弦波整形成方波。由于频率范围从1Hz到10MHz，本设计采用了两个施密特整形，能够很好地将正弦波整成方波，并且只要输入电压合适，施密特能够工作的频率范围能够达到10MHz以上。一般的比较器只有一个作比较的临界电压，若输入端有噪声来回多次穿越临界电压时，输出端即受到干扰，其正负状态产生不正常转换。因此可以用两个施密特触发器构成一个迟滞比较器作为整形电路。施密特触发器选用SN74HC14N，它是一款六门集成施密特触发器。使用两个施密特触发器可以使整形效果更好。对放大器输出的信号，可以采用RC滤波电路，对于测量低频信号（＜100kHz），通过低通滤波器将高频的信号滤波。

2.3 分频模块

由原理分析可知，输入的时钟信号最高频率不能高于11.0592MHz/24=460.8KHz。因此为了测量高频的信号，可采用74LS90的计数器实现1 000分频的分频电路，将输入的高频方波信号1 000分频，即使100M的信号分频后也只是1 00KHz，单片机完全能够识别。通过分频电路，扩展了测频的频带，使理论上可测的频率上限达到460.8KHz×1 000=460.8MHz。

2.4 单片机和LCD显示模块

本系统控制和测频的核心主要是由89C52单片机构成。选51系列单片机，是因为测频计本身只需要I/O口不多，定时器和计数器只需要一个，也不复杂，51完全可以满足要求，同时还有价格低廉的优势。

LCD选用1602液晶显示屏，这是因为频率计需要的显示部分只是频率的大小，因此1602完全可以满足显示的要求。

3 系统软件实现

对于高频信号，采用测频法，即使用单片机自带的计数器对输入脉冲进行计数，从而对频率进行测量。T0为计数器，在闸门打开时间内计数；T1作为定时器，控制闸门开关的打开和关闭。T0是工作在计数状态下，对输入的频率信号进行计数，计数脉冲来自外部脉冲。输入管脚T0或T1，当T0或T1产生负跳变时计数器加1。

对于低频信号，采用测周法。当低频信号产生一个下降沿时，引发T1中断，同时启动定时器，一直到第二个下降沿开始时关闭定时器。这样就可以测出信号周期，经过求倒得到频率，显示在LCD上，所以T1工作在定时状态下，每定时1秒钟到，就停止T0的计数，而从T0的计数单元中读取计数的数值，进行数据处理，送到LCD显示。T1工作在定时状态下，最大定时时间约为65ms，所以定时50ms，共定时20次，完成1秒的定时功能。

在设计中，由于要考虑到对高频的分频处理，因此在显示模块的处理中应该要考虑利用软件的方法将档位分为三个档，增加KHz档，这样就可以比较好地显示出分频后的频率。

4 结语

本文设计的基于stc89c52数字频率计，硬件所用元件较少，电路简单，采用测频法和测周法相结合，实现了微弱信号峰值低至10mV，频率测量范围1HZ～10MHz，测量误差高频≤0.1%，低频≤0.01%，精度高频带宽而且便携，具有一定的实用价值和意义。

[1]（日）松井邦彦,OP放大器应用技巧100例[M],北京：科学出版社,2006

[2]杨辉媛,谭伟杰.杨红海；基于AT89C52单片数字频率计的设计[j]《电子质量》2008年07期

[3]钱进,基于AT89C2051的高精度数字频率计的设计[j]机电产品开发与创新 2007年01期

鲁锦涛，男，湖北省黄冈市蕲春县人，从事通信工程研究。）