浅析数字频率计设计

强波

摘 要:频率测量在科技研究和实际应用中的作用日益重要。传统的频率计通采用组合电路和时序电路等大量的硬件电路构成,产品不但体积较大,运行速度慢,而且测量低频信号时不宜直接使用。在电子技术中,频率是最基本的参数之一,并且与许多电参量的测量方案、测量结果都有十分密切的关系,因此频率的测量就显得更为重要。测量频率的方法有多种,其中电子计数器测量频率具有精度高、使用方便、测量迅速,以及便于实现测量过程自动化等优点,是频率测量的重要手段之一。本文阐述了用ATmega16单片机与相关硬件和软件设计了一个简单的数字频率计的过程。

关键词:数字频率计单片机设计

中图分类号:TP27 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2012)07(c)-0037-01

频率测量方法的优化越来越受到重视。频率计的基本原理是用一个频率稳定度高的频率源作为基准时钟,对比测量其他信号的频率。通常情况下计算每秒内待测信号的脉冲个数,此时我们称闸门时间为1s。闸门时间也可以大于或小于1s。闸门时间越长,得到的频率值就越准确,但闸门时间越长则没测一次频率的间隔就越长。闸门时间越短,测的频率值刷新就越快,但测得的频率精度就受影响。本文。数字频率计是用数字显示被测信号频率的仪器,被测信号可以是正弦波,方波或其它周期性变化的信号。如配以适当的传感器,可以对多种物理量进行测试,比如机械振动的频率,转速,声音的频率以及产品的计件等等。因此,数字频率计是一种应用很广泛的仪器。

1 电子式测量频率的方法

利用电子计数式测量频率具有精度高、测量范围宽、显示醒目直观、测量迅速,以及便于实现测量过程自动化等一系列优点,下面将重点介绍电子计数式测量频率的几种方法。

(1)脉冲数定时测频法(M法):此法是记录在确定时间Tc内待测信号的脉冲个数Mx,则待测频率为:

Fx=Mx/Tc

显然,时间Tc为准确值,测量的精度主要取决于计数Mx的误差。其特点在于:测量方法简单;测量精度与待测信号频率和门控时间有关,当待测信号频率较低时,误差较大。

(2)脉冲周期测频法(T法):此法是在待测信号的一个周期Tx内,记录标准频率信号变化次数Mo。这种方法测出的频率是:

Fx=Mo/Tx

此法的特点是低频检测时精度高,但当高频检测时误差较大。

(3)脉冲数倍频测频法(AM法):此法是为克服M法在低频测量时精度不高的缺陷发展起来的。通过A倍频,把待测信号频率放大A倍,以提高测量精度。其待测频率为:

Fx=Mx/ATo

其特点是待测信号脉冲间隔减小,间隔误差降低;精度比M法高A倍,但控制电路较复杂。

2 设计方案确定

系统采用ATmega16单片机,门控信号由T0内部的计数定时器产生,单位为1ms。由于单片机的计数频率上限较低,所以需对高频被测信号进行硬件欲分频处理,最后使整个电路完成运算、控制及显示功能。由于使用了单片机,使整个系统具有极为灵活的可编程性,能方便地对系统进行功能扩展与改进。

3 各部件功能及特点

ATmega16是一个基于增强地AVRRISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。由于其具有先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间,所以ATmega16的数据吞吐率高达1MIPS/MHZ,从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。

AVR内核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与算逻单元(ALU)相连接,使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。这种结构大大提高了代码效率,并且具有比普通的CISC微控制器最高至10倍的数据吞吐率。

ATmega16有如下特点:16K字节的系统内可编程的Flash(具有同时读写的能力,即RWW),512字节EEPROM,1K字节SRAM,32个通用I/O口线,32个通用工作寄存器,用于边界扫描的JTAG接口,支持片内调试与编程,三个具有比较模式的灵活的定时器/计数器(T/C),片内/外中断,可编程串行USART,有起始条件检测器的通用串行接口,8路10位具有可选差分输入级可编程增益(TQFP封装)的ADC,具有片内振荡器的可编程看门狗定时器,一个SPI串行端口,以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。工作于空闲模式时CPU停止工作,而USART、两线接口、A/D转换器、SRAM、T/C、SPI端口以及中断系统继续工作;掉电模式时晶体振荡器停止振荡,所有功能除了中断和硬件复位之外都停止作;在省电模式下,异步定时器继续运行,允许用户保持一个时间基准,而其余功能模块处于休眠状态;ADC噪声抑制模式时终CPU和除了异步定时器与ADC以外所有I/O模块的工作,以降低ADC转换时的开关噪声;Standby模式下只有晶体或谐振振荡器运行,其余功能模块处于休眠态,使得器件只消耗极少的电流,同时具有快速启动能力;扩展Standby模式下则允许振荡器和异步定时器继续工作。

4数码管显示

设计采用了4个共阳的七段发光二极管实现显示电路。

七段发光二极管(LED)数码管

LED数码管是目前最常用的数字显示器,图1为共阴管和共阳管的电路和两种不同出线形式的引出脚功能图。

一个LED数码管可用来显示一位0～9十进制数和一个小数点。小型数码管(0.5寸和0.36寸)每段发光二极管的正向压降,随显示光(通常为红、绿、黄、橙色)的颜色不同略有差别,通常约为2～2.5V,每个发光二极管的点亮电流在5～10mA。LED数码管要显示BCD码所表示的十进制数字就需要有一个专门的译码器,该译码器不但要完成译码功能,还要有相当的驱动能力。

参考文献

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[4] 康华光.电子技术基础(模拟部分)[M].高等教育出版社,1998.

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