基于单片机的频率计设计

安佳琪

辽宁锦州渤海大学工学院

基于单片机的频率计设计

安佳琪

辽宁锦州渤海大学工学院

频率对于电子技术而言是很重要的参数，同时在电量的领域有着重大的应用，所以掌握频率的测量有着重要的影响意义。设计一种基于单片机的频率提高了测量的精确性。本文设计的频率计的核心器件是单片机，同时设计中还包括了显示数据以及输入信号模块和提供时钟显示的功能实现。本文的编程语言采用的是汇编，本文选用了模块化的设计思想，这对于频率测量的范围起到了很大的提高作用。

单片机 测量 频率计

1 前言

使用单片机频率计具有效率高，易于操作，速度快，交互友好等等优点在电路中对频率进行测量是十分重要的，然后将测量的结果显示在显示器中，进一步实现频率的测量。通过频率的测量能够很快地找到问题的源头，从而对相应的问题进行适当的处理。关于测量频率的方式，以往的频率计选择的是测频法，前提是需要进行电路的整体结构设计，通常而言如果信号是低频的，那么针对该种信号就不能采用单片机的技术。现今的数字频率计所采用的方法相对于以往而言比较简单，通常通过对信号进行微分，放大等操作后能够生成具有一定周期的窄脉冲信号，将所形成的信号和主门的输入端相连，另一部分则是基电路，通过该电路能够形成闸门脉冲，将具有一定周期的脉冲信号经过主门，从而实现计数器计数的操作。关于频率工作的原理主要是将需要测量的信号进行频率测定，通过也需要测量脉冲的个数。如果闸门设定的时间越长，那么对应的频率值测量出的结果也会更加精确。

2 频率计数部分工作原理

关于系统硬件设计部分，比较重要的一个电路就是信号的预处理。其中关于信号的预处理电路的组成主要包括了四级的电路。其中的第一级电路是零偏置的放大器，如果输入信号的电压是为负值时，三极管的状态就会是截止的，而且此时输出信号的电平是高电平，如果输入的信号时对应的电压是正数时，三极管就会导通，而且电压的输入值和电压的上升是成反比的。通过零偏置放大器可以把正弦波样的正负交替波形向单向的脉冲进行转化，从而频率计就可以对方波的信号进行测量，同时还可以对正弦波信号进行测量。由于三极管选择的是开关三极管，所以可以确保放大器响应高频时效果很好。

第二级中添加的是反相器7414，该器件中附带着触发器。第三级中的同步计数器是十进制的，而且型号是74160。第四级中和第三级采用的同步计数器是一样的，在同步计数器的CLK中添加来自第三级输出的方波，接着同步计数器的Q0能够实现2分频，产生的波形就是对称的方波，其中该对称方波宽度和待测信号周期是一样的，而信号周期的测量都是以这些为基础的。显示电路中的选择的显示方式是静态的。将频率的测量值经过译码，接着再经过89C51串行口。存储的方式选择的是同步移位。接着取出89C51中输出的数据，74164时钟输入口CP就会接收这些数据。74164中进行的过程是数据的转化，这是一个串行数据向并行数据转化的过程。74164中输出的8位并行数据会一一和8段LED对应，最终将数据显示出来。采取的该方法中的主程序不涉及对显示器进行扫描，该方法也可以扩展显示位数。频率计原理图如图1所示。

图1 频率计原理图

3 系统硬件设计

频率计中的电路主要涉及到了与非门、分频器以及计数器等器件，其中电路中的闸门功能的实现是通过P3.1引脚控制的，如果执行了程序指令之后P3.1变为高电平，此时就会打开闸门，当时间是1s之后执行相应的指令P3.1的电平变为低电平，从而关闭闸门，如果闸门开启的时间是1s的话，被测的方波信号就会先进行与门运算，经过级联之后，会大大地扩大计数器的范围。

3.1 计数

本文设计的计数功能的实现采用的74LS393有2个。其中的一个74LS393主要是当作是计数器中的低4位，而另一个74LS393是当作计数器中的高4位。这个2个74LS393的连接方式是级联的，低4位的74LS393的引脚1会和信号源相互连接，时钟信号主要是来自信号源。当信号源的电平发生改变的时候，比如从高电平向变低电平发生变化时，计数器就会计数开始。而高4位的74LS393引脚13是和低4位的74LS393的引脚6相互连接，时钟信号是来自引脚6。当低4位的74LS393计数是满的状态时，低4位的74LS393的引脚6就会形成一个溢出，此时引脚6中的电平就会从高电平向低电平变化，从而高4位的74LS393就会计数开始。74LS393的输出端口和单片机的P0口一一对应连接。

3.2 显示器电路

单片机还对信号自身的频率进行计数的处理，最后将这个结果以代码的形式发送到LCD上将结果进行呈现。显示器电路中选择的显示器是7SEGLED是共阴极的。本文选择的的显示器是8位LED，显示的数据是8位有效数字，频率信号的频率是60MHz。

其中原理图中的74LS393的逻辑功能表如表1所示。

表1 逻辑功能表

3.3 内部计数器计数法

内部计数器计数法的原理图如图2所示。内部计数器计数法主要是计算输入的脉冲波的数目，这里的计数器是单片机自带的。该计数器的最大优点就是所投入的成本比较低，而且没有涉及到外部的计数器，其次大大地减少了程序员的工作量，使得编程更容易实现。本文设计的频率计所选择的单片机是AT89C51单片机，内部计数器中的计数功能设置为T1，其中，T0是定时。频率信号是从T1端输入的。输入时钟信的频率的最高值是小于单片机晶振频率的1/24。同时定时的时间设置是不可以为1s，因此溢出中断会进行多次，这样就直接导致了频率测量中存在的误差，因此需要尽量地减少误差。在该部分的程序设计中主要包括了显示部分以及修正部分和转化BCD码等，其中的修正部分与机器周期有着直接的联系。

图2 内部计数器计数法的工作原理

4 系统软件的设计

系统的软件设计部分采用的方法是自顶向下的模块化，将系统进行拆分为多个子模块，而对系统的程序是进行统一地管理。程序部分主要的功能有显示数据，运算数据以及测量数据等。频率测量主程序流程图如图3所示。

采取计数之前需要先对计数器进行清零处理。接着，根据接收到的命令将闸门打开，通过计数器记录进入闸门的时间值。当延时子程序结束以后，让计数器停止运行，计数器的停止是通过停止指令实现的。按照程序中的步骤进一步通过单片机进行计数器值的读取。

图3 频率测量主程序流程图

5 结语

作为集成性芯片电路中的一种，单片机中具备了大规模的集成系统，由于单片机的存在从而确保了中断系统以及定时计数功能的实现，模拟数字信号之间的转化和数字模拟信号的转换等。通过频率计能够对频率信号进行精确地测量，而且频率计的主要作用就是测量频率信号，频率计中的组成部分主要包括了输入输出电路，显示电路以及时基T电路等。

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