数字频率计的设计

王丽琴，史 航

（1.常州信息职业技术学院，江苏 常州213000；2.江苏理工学院，江苏 常州213000）

1 数字频率计的工作原理

以单片机STC89C52为核心，采用倍频法，根据频段设置倍频系数将经放大、整形的低频信号进行倍频后再进行测量，高频段则直接测量用定时、计数的方法测量频率，采用一个2个四位共阴的数码管显示6位数。测量范围从500Hz-1MHz的正弦波、方波的频率测量。

数字频率计的工作过程为：被测信号fx经脉冲电路整形，变成脉冲波形，其周期Tx与被测信号的周期相同。实际电路输出标准时间信号，设其高电平持续时间为1s，则计数器的计数时间就为1s，计数器计得的脉冲数N就是被测信号的频率。逻辑控制单元的作用有两个：其一，产生清零脉冲，使计数器每次从零开始计数；其二，产生锁存信号，使显示器上的数字稳定不变。

2 频率计的硬件电路设计

本频率计的数据采集系统的核心元器件是单片机STC89C52，由它完成对待测信号频率的计数和结果显示等功能，外部还要有分频器、显示器等器件。可分为几个模块：放大整形模块、分频模块、单片机系统、数码管显示模块。

（1）放大整形模块。在本次设计中，输入信号的幅度要求为0.5V-5V可变时，所测的频率变化范围不得大于1%。又因后级电路使用了电压比较器LM339N，在反向输入信号采用分压方式固定了一个2.5V的门限电压。现在要解决的问题就是将低于2.5V的输入小信号进行放大，使信号的幅度低于2.5V以下时，其频率不变。采用脉冲数倍频测频法，通过A倍频，把待测信号频率放大A倍，以提高测量精度。先将输入信号经过一个放大电路，放大电路的主要作用是把微弱的电信号放大到负载所需的数值。当输入信号为正弦波、三角波等多种波形，我们要将各种输入波形转化成计数所能用到的方波脉冲波，即此电路为信号整形电路，本文用了一个电压比较器LM339N实现信号的整形。

（2）分频模块。本设计的频率范围为1Hz-10MHz，频率在1Hz-999999Hz内，六位数码管可显示，当频率在999999Hz-10MHz时，数码管不能够正确显示。这时需要将处于999999Hz-10MHz的频率进行分频，使测得的处于这段区域的频率值精确的显示在数码管上。我们可进行16分频即可解决问题。当频率为最大10M时，进过16分频后等于625000，可以在数码管上显示。在输入信号为单端的情况下，D触发器用起来最为方便，其状态方程为Qn+1＝Qn，其输出状态的更新发生在CP脉冲的上升沿，故又称为上升沿触发的边沿触发器，触发器的状态只取决于时钟到来前D端的状态，D触发器的应用很广，可用作数字信号的寄存，移位寄存，分频和波形发生等。有很多种型号可供各种用途的需求而选用。在此构成16分频电路选用了D触发器。选用了SN74LS74AN的双上升沿D触发器构成16分频器。该电路由2片即4个上升沿触发的D触发器连接组成，使各D触发器均处于计数状态。分频后，由于干扰及传输线路的分布电容等因素而使信号发生畸变，出现前、后沿变坏或信号电平波形上叠加脉动干扰波等现象。本文用一个施密特触发器利用它的脉冲整形特性，就可以很好的解决干扰，得到一个方波送到单片机的定时器端。

（3）数码管显示电路。在设计中选用的是四位共阴数码管，实现0-9的数字显示，数码管显示驱动选用了高压输出驱动器SN7407N。

3 频率计的软件电路设计

方案主要应用了89C52内部的定时器、中断、计数器和数据处理，其程序设计相应软件包括：主程序、数据处理、显示主程序等。利用AT89C51单片机的T0、T1进行定时、计数功能，设置T0为外部计算器，T1为中断定时器。完成对输入的信号进行频率计数，计数的频率结果通过6位动态数码管显示出来。要求能够对160HZ-1MHZ的信号频率进行准确计数，计数误差不超过1%。

（1）定时器T0、计数器T1的工作原理。先对定时器T0、计数器T1进行初始化设置，对一秒内的输入脉冲进行计数，计数的个数即为频率。T0为定时器工作方式，定时时间为1S，开中断。将T1设为计数器工作方式，待测输入脉冲从P3.5输入。其计数器处置清零，即TH1=00H，TL1=00H.在1S定时到时，在T0中断服务程序中，读取TH1TL1中计数值到内存中的频率单元。随后清零TH1TL1，以便下次读数。

（2）显示数据处理分析。在将内存单元计得的数进行二-十进制转换子程序转换为十进制数，并拆为非压缩BCD码后送显示缓冲区，调用显示子程序，送数码管延时显示频率值。

4 结语

数字频率计以单片机STC89C52为核心，采用倍频测量法，根据频段设置倍频系数将低频输入信号进过放大、整形、分频后测量，高频段用定时、计数的方法测量频率，采用一个2个四位共阴的数码管显示6位数。测量范围从500Hz-1MHz的正弦波、方波的频率测量。所制作的频率计需要外围器件较少，适宜用于嵌入式系统。该频率计应用直接测量和相应的数据处理实现频率测量。