基于单片机的高精度数字频率计的设计与实现

康嘉宁 杨抒浓 王云天 付丽华

沈阳工学院信息与控制学院

基于单片机的高精度数字频率计的设计与实现

康嘉宁 杨抒浓 王云天 付丽华

沈阳工学院信息与控制学院

本文提出了一个基于单片机的高精度数字频率计的设计。该设计以51单片机为微处理器，包括放大电路、整形电路、分频电路和显示电路，可以实现方波、三角波、正弦波的频率检测，最后通过程序控制，实现小信号、高精度的频率检测，从而完成具有数字显示的功能频率计的设计。该数字频率计具有操作简单、检测精度高、显示直观等特点。

单片机 小信号 高精度 频率计

数字频率计(Digital Frequency Meter)是采用数字电路设计而成的能实现对周期性变化信号频率测量的仪器。频率计主要用于测量正弦波、矩形波、三角波和尖脉冲等周期信号的频率值，其扩展功能可以测量信号的周期和脉冲宽度。

测量频率的方法有很多，按照其工作原理分为无源测量法、比较法、示波器法和计数法等。本设计中采用的是直接测频法，能直接计数单位时间内被测信号的脉冲数，然后以数字形式显示频率值。这种方法测量精确度高、快速，适合不同频率、不同精确度测频的需要。

1 数字频率计工作原理

数字频率计的主要功能是测量周期信号的频率，工作原理如下：

频率是单位时间（1S）内信号发生周期变化的次数。如果能够在给定的1S时间内对信号波形计数，便可以获得被测信号的频率。数字频率计首先必须获得相对稳定与准确的时间，同时将被测信号转换成幅度与波形均能被数字电路识别的脉冲信号，然后通过计数器获得单位时间内的脉冲个数，将其换算后显示出来。

数字频率计由四部分组成，包括放大电路、整形电路、分频电路、以MCU为核心的控制单元和显示电路，工作原理如下：

待测试的小信号，首先经过放大电路，放大后的信号，进入整形电路，整形电路的输出信号为方波，连接MCU的输入管脚，最后通过程序控制实现计数功能，再经过运算，将单位时间内的计数信息，转换为频率信息，显示到液晶屏上。

2 数字频率计硬件电路设计

根据工作原理，本电路的设计方案如下：

2.1 放大电路

放大电路的核心芯片为OPA690，实现对微小信号的放大。工作时，只对于幅值低于100mV的信号进行放大，反之，直接进入整形电路。

2.2 整形电路

通过整形电路，将正弦波、三角波和波形不佳的正弦波等转化成矩形波。整形电路以MAX913为核心电路，实现对信号的整形。

2.3 分频电路

对于频率较高的信号，启动分频电路：二分频或者四分频，将信号的频率降低到51单片机可以检测出来的范围内。对于频率小于10MHz的信号，可以直接进入MCU的输入端口。

2.4 MCU控制电路

在本设计中，采用了STC12C5206AD单片机作为微处理器，实现信号的检测、计数、运算和显示的驱动。为了实现精确计数，采用40MHz的有源晶振。

通过编程，实现对被测信号的下降沿检测，即计数功能。在计数完毕后，将当期的频率和周期信息，显示到LCD上。

2.5 显示单元

本设计中，以LCD1602作为显示器，显示分为两行，每行可以显示16个字符，包括数字和英文字符。

3 数字频率计软件设计

软件程序包括如下3个部分：

3.1 初始化

初始化包括：系统的设置、液晶屏的初始化和显示和定时中断的参数设置。

3.2 信号检测和计数

在完成初始化后，对信号进行检测，每当检测到一个下降沿时，计数自动加1。计时结束时，判断当前的状态否为分频，然后对当前的数据进行相应的处理。

3.3 数据运算

根据计数的值与定时中断的计数值，进行运算，然后计算出频率和周期。为了实现精确计算，频率和周期均采用float型的变量，计算的结果保留4位小数。

3.4 显示驱动

显示内容如下：

第一行显示频率的数值，保留4位小数，自动显示频率的单位：Hz，kHz和MHz；

第二行显示被检测信号的周期信息，保留4位小数，自动显示周期的单位：S，mS和uS。

通过精确的计算，实现了数字频率计的高精度等级的测量和直观的显示。

4 结论

在电子技术领域，频率是一个最基本的参数。许多物理量，例如：温度、压力、流量、液位、PH值、振动、位移、速度等通过传感器转换成信号频率，然后用数字频率计来测量。因此，数字频率计作为一种最基本的测量仪器以其测量精度高、速度快、操作简便、数字显示等特点被广泛应用。尤其是将数字频率计与微处理器相结合，可实现测量仪器的多功能化、程控化和智能化。随着现代科技的发展，基于数字式频率计组成的各种测量仪器、控制设备、实时监测系统已应用到国际民生的各个方面。

[1]李雷等编.电子技术应用实验教程[M].电子科技大学出版社，2006

[2]赵亮.跟我学51单片机系列教程(九)-单片机简易频率计[J].电子制作，2011年09期

[3]STC12C5206AD数据手册[EB/OL].http://stcmcu.cn.china.cn

康嘉宁，杨抒浓，王云天，沈阳工学院，学生。

付丽华（通讯作者），1972年6月，女，满族，辽宁人，沈阳工学院，副教授。