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【摘要】本文以AT89C51单片机为核心,基于等精度测频原理,设计了一款高精度、低功耗多功能频率计,可以同时测量两路频率范围为1Hz-10MHz的信号的频率,并且具有存储和查询功能,同时提供1K和1M两路方波信号源。本文采用模块化设计,硬件模块有控制模块、放大整形模块、显示模块、存储模块、标准方波信号源模块等组成,软件模块有频率范围判断、频率测量及频率值的显示等部分组成。
【关键词】频率计;等精度测量;单片机
引言
频率计和信号源是常用的电子设备,广泛应用于电子测量、通讯和教学等领域。频率计的基本功能是测量正弦信号、方波信号及其他变化的物理量在单位时间内变化的频率,而信号源的功能则是提供各种频率的函数信号。随着数字电子技术的发展,频率测量成为一项越来越普遍的工作,测频原理和测频方法的研究正受到越来越多的关注。
早期的频率计采用测频法或测周法测量频率,通常由组合逻辑电路和时序电路等硬件电路组成,产品体积大、运行速度慢、测量精度不高,而现在市面上较为流行的频率计虽然在测频性能上有很大提高,但通常价格昂贵,同时功能相对单一,如频率测量和信号源分开,存储功能不完善等,不适合广大初学者的实际需求。
1.传统频率测量方法
1.1 测频法
由控制电路产生测频所需的满足一定时序关系的闸门信号、清零脉冲信号和锁存脉冲信号。当频率计正常工作时,宽度为1s的闸门信号作为计数器的时钟使能信号,则被测信号作为计数器的时钟输入。当闸门信号为高电平时,计数器即开始计数;当闸门信号为低电平时,计数器即停止计数,则1s的闸门时间内计数器的计数值即为被测信号的频率。同时,为了保证测评准确,在每次闸门信号开通前提供给计数器一个清零脉冲信号,让计数器处于零状态,保证计数器每次都从零开始计数。
如果计数器的输出直接译码显示,则在闸门信号为高电平期间,频率计的显示将会随着计数值的增加而不断变化,不断闪烁,人眼将难以分辨。为了防止这种现象,在计数器和译码、显示 之间增加一锁存电路。只有当计数器停止计数后(闸门信号由高变低后),才将计数值锁存并译码显示。为了防止显示闪烁,锁存信号的周期必须大于人的视觉滞留时间(约为0.1s)。
1.2 测周期法
将被测量信号经过整形后转换成方波信号,利用单片机查询两个上升沿,在此期间根据晶体振荡器产生的周期为 Tc的脉冲送计数器进行计数,设计数值为N,则得被测量信号的周期值Tx=Tc×N,然后取其倒数即为被测量信号的频率。
1.3 等精度测量法
2.具体模块电路设计
(1)根据上述系统分析,本系统设计包括以下几个模块电路:单片机微处理电路、宽带信号放大电路、信号整形电路、双路切换电路、10分频电路、显示电路、存储电路、分频驱动电路1和分频驱动电路2。总体框图如图2所示。
(2)各模块设计与功能如下:
1)单片机微处理电路
本电路的主芯片是AT89S52单片机,它是一个低功耗,高性能CMOS8位单片机,片内含8kBytes的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造,兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构,芯片内集成了通用8位中央处理器、ISP Flash存储单元、32位I/O口线、看门狗定时器、2个数据指针、3个16位定时器/计数器和一个6向量2级中断结构,功能强大的AT89S52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。
2)宽带信号放大电路、信号整形电路
宽带信号放大电路的功能是对待测信号进行放大处理,降低对待测信号幅度的要求。型号整形电路是對一些不是方波的待测信号转化成方波信号,便于测量。
为了简化设计,本设计让输入信号先经过一个模拟电路进行信号的放大处理,兼顾了高频和低频信号,然后用芯片74HC14充当比较器,把信号转换为0和1的数字信号。原理图如图3所示。
3)双路切换电路
为了实现同时测量两路信号,设计了双路切换电路,如图4所示。其工作原理为:当选择端信号为低电平‘0’时,芯片74HC00的 Y1口输出为高电平‘1’,Y2口输出为信号2的非,经过与非门(A3 B3 Y3)后,Y3口输出为信号2;当选择端信号为‘1’时,Y2口输出为高电平‘1’,Y1口输出为信号1的非,经过与非门(A3 B3 Y3),Y3口输出为信号1。
4)10分频电路
10分频电路如图5所示。本电路采用74HC390异步双二—五—十进制加法计数器实现分频。内有两组计数器,每组计数器由两个计数器组成,1个一位二进制计数器和1个五进制计数器,它们可以单独计数,但清零时同时清零。 二进制计数器:A时钟,QA输出 ;五进制计数器:B时钟,QD,QC,QB输出 。信号从4端口输入,每记满五个数从6端口输出一个数送入端口12,再次记满五个数时从端口10输出一个数送入端口1,记满两次时从端口3输出一个数送入15,再次记满两次时从13口输出。即每当输入端输入5*5*2*2个数时,输出端输出一个数,也就是实现了100分频。
3.实验测试结果
此外,我们对两路信号的输出频率进行了测量,其频率分别为1K和1M,没有误差。
4.结束语
本频率计的测量范围是1Hz~10MHz,自带量程自动切换,1KHZ、1MHZ标准方波信号源功能。可以同时测量两路信号的频率。具有成本低、精度高、多功能等优点。可广泛应用于实践教学、电子制作和生产流水线。具有广阔的市场潜力。
参考文献
[1]阎石.数字电子技术基础(第四版)[M].高等教育出版社.
[2]莫琳.基于FPGA的等精度频率计的设计与实现[J].现代电子技术,2004(10):81-88.
[3]汪首坤,杜波涛,王军政.自适应等精度频率测量方法与实现[J].传感技术学报,2007,20(2);346-347.
项目资助(编号:JG00613JX07 SZDG2013016)。
【关键词】频率计;等精度测量;单片机
引言
频率计和信号源是常用的电子设备,广泛应用于电子测量、通讯和教学等领域。频率计的基本功能是测量正弦信号、方波信号及其他变化的物理量在单位时间内变化的频率,而信号源的功能则是提供各种频率的函数信号。随着数字电子技术的发展,频率测量成为一项越来越普遍的工作,测频原理和测频方法的研究正受到越来越多的关注。
早期的频率计采用测频法或测周法测量频率,通常由组合逻辑电路和时序电路等硬件电路组成,产品体积大、运行速度慢、测量精度不高,而现在市面上较为流行的频率计虽然在测频性能上有很大提高,但通常价格昂贵,同时功能相对单一,如频率测量和信号源分开,存储功能不完善等,不适合广大初学者的实际需求。
1.传统频率测量方法
1.1 测频法
由控制电路产生测频所需的满足一定时序关系的闸门信号、清零脉冲信号和锁存脉冲信号。当频率计正常工作时,宽度为1s的闸门信号作为计数器的时钟使能信号,则被测信号作为计数器的时钟输入。当闸门信号为高电平时,计数器即开始计数;当闸门信号为低电平时,计数器即停止计数,则1s的闸门时间内计数器的计数值即为被测信号的频率。同时,为了保证测评准确,在每次闸门信号开通前提供给计数器一个清零脉冲信号,让计数器处于零状态,保证计数器每次都从零开始计数。
如果计数器的输出直接译码显示,则在闸门信号为高电平期间,频率计的显示将会随着计数值的增加而不断变化,不断闪烁,人眼将难以分辨。为了防止这种现象,在计数器和译码、显示 之间增加一锁存电路。只有当计数器停止计数后(闸门信号由高变低后),才将计数值锁存并译码显示。为了防止显示闪烁,锁存信号的周期必须大于人的视觉滞留时间(约为0.1s)。
1.2 测周期法
将被测量信号经过整形后转换成方波信号,利用单片机查询两个上升沿,在此期间根据晶体振荡器产生的周期为 Tc的脉冲送计数器进行计数,设计数值为N,则得被测量信号的周期值Tx=Tc×N,然后取其倒数即为被测量信号的频率。
1.3 等精度测量法
2.具体模块电路设计
(1)根据上述系统分析,本系统设计包括以下几个模块电路:单片机微处理电路、宽带信号放大电路、信号整形电路、双路切换电路、10分频电路、显示电路、存储电路、分频驱动电路1和分频驱动电路2。总体框图如图2所示。
(2)各模块设计与功能如下:
1)单片机微处理电路
本电路的主芯片是AT89S52单片机,它是一个低功耗,高性能CMOS8位单片机,片内含8kBytes的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造,兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构,芯片内集成了通用8位中央处理器、ISP Flash存储单元、32位I/O口线、看门狗定时器、2个数据指针、3个16位定时器/计数器和一个6向量2级中断结构,功能强大的AT89S52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。
2)宽带信号放大电路、信号整形电路
宽带信号放大电路的功能是对待测信号进行放大处理,降低对待测信号幅度的要求。型号整形电路是對一些不是方波的待测信号转化成方波信号,便于测量。
为了简化设计,本设计让输入信号先经过一个模拟电路进行信号的放大处理,兼顾了高频和低频信号,然后用芯片74HC14充当比较器,把信号转换为0和1的数字信号。原理图如图3所示。
3)双路切换电路
为了实现同时测量两路信号,设计了双路切换电路,如图4所示。其工作原理为:当选择端信号为低电平‘0’时,芯片74HC00的 Y1口输出为高电平‘1’,Y2口输出为信号2的非,经过与非门(A3 B3 Y3)后,Y3口输出为信号2;当选择端信号为‘1’时,Y2口输出为高电平‘1’,Y1口输出为信号1的非,经过与非门(A3 B3 Y3),Y3口输出为信号1。
4)10分频电路
10分频电路如图5所示。本电路采用74HC390异步双二—五—十进制加法计数器实现分频。内有两组计数器,每组计数器由两个计数器组成,1个一位二进制计数器和1个五进制计数器,它们可以单独计数,但清零时同时清零。 二进制计数器:A时钟,QA输出 ;五进制计数器:B时钟,QD,QC,QB输出 。信号从4端口输入,每记满五个数从6端口输出一个数送入端口12,再次记满五个数时从端口10输出一个数送入端口1,记满两次时从端口3输出一个数送入15,再次记满两次时从13口输出。即每当输入端输入5*5*2*2个数时,输出端输出一个数,也就是实现了100分频。
3.实验测试结果
此外,我们对两路信号的输出频率进行了测量,其频率分别为1K和1M,没有误差。
4.结束语
本频率计的测量范围是1Hz~10MHz,自带量程自动切换,1KHZ、1MHZ标准方波信号源功能。可以同时测量两路信号的频率。具有成本低、精度高、多功能等优点。可广泛应用于实践教学、电子制作和生产流水线。具有广阔的市场潜力。
参考文献
[1]阎石.数字电子技术基础(第四版)[M].高等教育出版社.
[2]莫琳.基于FPGA的等精度频率计的设计与实现[J].现代电子技术,2004(10):81-88.
[3]汪首坤,杜波涛,王军政.自适应等精度频率测量方法与实现[J].传感技术学报,2007,20(2);346-347.
项目资助(编号:JG00613JX07 SZDG2013016)。