关于调频信号测试的数字频率计的单元电路设计

山东省广播电影电视局蒙山转播台 陈利新

1.引言

数字频率计是直接用十进制码来显示被测信号频率的一种测量装置。作为一种基础测量仪器，已在教学、科研、高精度仪器测量、工业控制等领域有较广泛的应用。

在模拟电路和数字电路实验中，信号源可产生各种频率范围的信号，如果能直接读出其频率，可以给实验者带来很大的方便。所以频率计是实验箱中很重要的组成部分，而购买设计好的频率计成本较高，所以设计了一个简易的频率计，完善了实验箱的功能，具有较好的使用价值。

实验中使用信号的频率不是很高，所以要求设计的频率计测量的频率范围在1Hz---10MHz之间。能够测量任何该频率段内的周期信号的频率，延时要小，测量迅速，以十进制数显示，便于读数，单位以Hz或KHz显示，自动转换单位。

2.整形电路设计

整形电路，将模拟信号转换成二值信号，即只有高电平和低电平的离散信号。所以我们选择电压比较器作为模拟电路和数字电路的接口电路，将非矩形信号变换成矩形信号。对比较器的选择主要从以下几个方面考虑：

(1)传播延迟时间：这是选择比较器最重要的参数，延迟时间包括信号通过元器件产生的传输延时和信号的上升时间与下降时间，显然只有延迟时间短了，才能使整个处理时间缩短；

(2)电源电压：传统的比较器需要±15V双电源供电或高达36V的单电源供电，这些产品在工业控制中仍有需求，但是，从市场发展趋势看，目前大多数应用需要比较器工作在电池电压所允许的单电源电压范围内，而且，比较器必须具有低电流、小封装的特点，有些应用中还要求比较器具有关断功能；

(3)功耗：对于所有器件来说，当然功耗越低越好，但在此需要权衡比较器的速度与功耗，找到两者的最佳结合；

(4)门限电压：可以通过设置外围器件来确定门限电压的大小，门限电压越大电路抗干扰能力越强，但是灵敏度就会变差，因此，要根据具体需要确定门限值大小。

考虑到以上因素，这里选择使用TI公司的芯片LM311，其引脚图如图1。

输入信号通过电阻R1接入LM311的引脚2，这样不至于使引脚2因输入电流过大而烧坏芯片。当输入电压大时，为了不毁害芯片，需要在引脚2上接二极管来保护芯片。引脚3是负输入端，但如果直接接地，在引脚2上即使有微小的波动(干扰信号)也会导致输出端输出脉冲。因此，引脚3不可直接接地，通过在引脚3和8脚接分压电阻，设置门限电压。引脚8接+5伏电源，电阻R3、R4分压，R4:R3≈1:20，即门限电压为0.25V(R3=4.7K，R4=220)，当输入电压小于0.25V时，输出不变，从而使电路具有了一定的抗干扰能力。LM311输出电路为集电极开路的门电路(OC门)，因此还需在输出脚7加上拉电阻R5。从而可得整形电路如图2。

3.计数电路设计

整形后，对于低频信号，其上升沿变化比较缓慢，且叠加有高频信号，计数电路可能将此抖动误认为输入脉冲对其计数，为避免这种错误计数，可使低频信号经低通滤波器，从而消除上升沿的抖动，而对高频信号，经滤波器后被滤除。因此在滤波前就应把低频和高频分开，在这里使用反相器74HC14(Philips公司产)，使高频信号不经反相器，而低频信号经反相器后滤波，得到较规则的矩形信号。

得到的矩形信号要输入到单片机中，这里使用ATMEL公司生产的AT89C2051单片机，它是一种低电压、高性能的CMOS 8位单片机，管脚少，体积小，且功能强。片内含2KB的可反复擦写的只读FLASH程序存储器和128B的随机存取数据存储器，有两个16位的定时/计数器，T0、T1，一个5向量两级中断结构，一个全双工的串行通信口，内置一个精密比较器，片内振荡器及时钟电路。

AT89C系列与MCS-51系列单片机相比有两大优势：第一，片内程序存储器采用闪速存储器，使程序的写入更加方便；第二，提供了更小尺寸的芯片，使整个硬件电路的体积更小。AT89C2051的管脚图如图3。

AT89C2051的1脚为复位信号输入端，高电平有效，单片机运行时，在此引脚上加持续时间大于两个机器周期的高电平时，就可完成复位操作。复位电路常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。这里采用上电自动复位。它是通过外部复位电路的电容充电来实现的。只要VCC的上升时间不超过1mS，就可实现自动上电复位。这里时钟频率选择12MHz时，C取10uF，R取10k。

图1 LM311引脚图

图2 整形模块电路

图3 AT89C2051引脚图

在此使用AT89C2051单片机内部的定时/计数器测量频率，基本测量过程为：定时/计数器1(T1)的计数寄存器清0，运行控制位TR置1，启动定时/计数器工作；同时运行定时/计数器0(T0)定时1s，T0定时1s时间到TR1清0，停止计数。当外部输入信号产生由1到0的负跳变时，计数器加1。每个机器周期的S5P2期间对外部输入引脚采样，如果在第一个机器周期中采得的值为1，下一个机器周期中采得的值为0，则在紧跟着的再下一个机器周期的S3P1的期间计数器加1。因此确定一次负跳变要花两个机器周期，即24个振荡周期，这就要求外部输入的计数脉冲的最高频率为振荡器频率的1/24。这里单片机选用12MHz的晶振，允许的最高输入频率为500KHz，对于在高的频率，单片机无法正确计数。

要想对高频信号测量频率，就需要先分频。单片机根据频率的大小选择对信号进行100分频或10分频或不分频，从而实现自动换档。这里选用ST公司生产的芯片74HC390，整形后的信号，低频送入反相器74HC14，高频送入分频器74HC390，先进行10分频，10分频后在经过另一片74HC390输出经100分频后的信号，这样理论上单片机就可以对500K×100即50MHz的信号测频。频率小于500KHz的信号不需要分频就可测量频率值，频率范围在500KHz—5MHz内的信号要经过10分频才能测量频率，频率范围在5MHz—50MHz内的信号要经过100分频才能测量频率。由于频率值可能超过计数器的最大计数值65535而使计数器溢出，这里定时器只定时100mS，技术完成后通过对数据处理，得到信号的真正频率值。具体的单片机是对不分频的信号测频，还是对10分频的信号测频，还是对100分频的信号测频，就要通过数据选择器选择。这里选用ST公司生产的芯片74HC253作为数据选择器选择出输入到单片机的信号。不分频的信号输入到74HC253的10脚，10分频的信号输入到74HC253的11脚，100分频的信号输入到74HC253的12脚，通过单片机的P1.5和P1.6位控制数据选择器的地址位A和B。计数模块的硬件电路如图4。

4.显示电路设计

最后要把处理完的数据在显示电路中显示。这里选用6位8段共阳LED数码管显示。LED显示方式有两种，静态显示和动态显示。虽然静态显示亮度高，接口编程也比较容易，但占用的口线较多，六位显示就需要6个锁存器，这样电路所用的器件较多、连线比较繁琐，所以采用动态显示方式。这就需要首先确定位选，对该位送段码显示，然后延时一定时间，选定下一位，再送段码显示，如此循环。

工作过程为：

首先确定位选：由单片机的P1.2、P1.3、P1.4作为3-8译码器74HC138的输入，74HC138的输出决定了数码管的选择位。每个数码管的公共端与一个接有高电平的PNP三极管的集电极相连，三极管的基极与3-8译码器的输出相连，通过软件编程设置单片机的P1.2、P1.3、P1.4位，就设置了3-8译码器的输入，3-8译码器的输出只有一位为低电平，与这一位连接的三极管就处于饱和状态，集电极与发射极间的饱和管压降只有0.7V，三极管的集电极电压为：5V-0.7V(二极管压降)-0.7V(饱和管压降)=3.6V，与这一个三极管连接的数码管就被选中；3-8译码器的其它位输出高电平，三极管处于截至状态，集电极为低电平，相应的数码管不被点亮，所以三极管在这里起到了开关的作用。

图4 计数模块电路

图5 显示模块电路

图6 电源电路

图7 单位显示电路

图8 数字频率计硬件电路图

其次送断码：选中数码管后，单片机就可以通过串行口将要在该位数码管上显示的数的段码送入锁存器74HC164。由于74HC164的最高输出电压可达电源电压，而数码管中的发光二极管的最大电流为20MA，所以要在其输出端加限流电阻，其大小为：VCC÷Imax≈200

显示模块的硬件电路如图5。

5.其它电路

(1)电源电路

电源电路产生的＋5V电源为电路中所有芯片和数码管提供了工作电压，经查阅，这些芯片和数码管的静态电流为：

2.5MA+80MA+12MA+20×6mA≈215MA

则电源电路输出端电阻等效为：

5V÷215MA

输入端等效电阻为：

R=12V÷(5V÷215MA)≈516

延迟时间：RC≈5×10mS

计算得：C≈100uF

电路如图6。

(2)单位显示部分电路

P1口可输出达20MA的电流，所以可以直接驱动发光二极管。一般发光二极管工作电流取10毫安，最多不超过20毫安，P1口输出最大电压为2.4V，所以可计算得限流电阻为：2.4V÷20MA≈100，电路如图7。

(3)滤波电路：

为滤除各芯片内的噪声，可在每个芯片的电源和地之间接入滤波电容。

至此，单元电路已设计完毕，可得到频率计的硬件电路，如图8。

6.总结

此数字频率计单元电路的设计，通过测试，很好地达到了预期目标，符合设计要求。

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