基于單片機(jī)簡易數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì)方案匯總

基于單片機(jī)簡易數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì)方案（一）

系統(tǒng)框圖如圖1所示，主要由AT89C52單片機(jī)、異或器件、LCD1602、電源等組成。

測(cè)量頻率的原理

定時(shí)/計(jì)數(shù)器工作在方式1，每產(chǎn)生一次定時(shí)器0中斷，計(jì)數(shù)65536個(gè)脈沖，此時(shí)的脈沖來自振蕩器的12分頻后的脈沖，其周期為1uS。根據(jù)產(chǎn)生外部中斷0時(shí)，定時(shí)器0中斷的次數(shù)u，以及此時(shí)定時(shí)/計(jì)數(shù)器0計(jì)數(shù)寄存器的數(shù)值X，即可求得待測(cè)方波的周期為：T=（65536*u+X）us，取其倒數(shù)即可求得待測(cè)方波的頻率，小數(shù)點(diǎn)后保留兩位，即可使得頻率精度為0.1HZ。

相位差的測(cè)量原理

將兩路同頻不同相的方波信號(hào)進(jìn)過鑒相器（即異或）后得到的脈沖寬度t與方波信號(hào)的周期T的比值（占空比），即對(duì)應(yīng)為兩信號(hào)的相位差，此時(shí)相位差

其中，脈沖寬度的測(cè)量方法與方波周期的測(cè)量方法相同。相位差測(cè)量的原理圖如下：

本設(shè)計(jì)中，P0端口（32~39腳）被定義為N1功能控制端口，分別與N1的相應(yīng)功能管腳相連接。單片機(jī)正常工作時(shí)，都需要有一個(gè)時(shí)鐘電路和一個(gè)復(fù)位電路。本設(shè)計(jì)中選擇了內(nèi)部時(shí)鐘方式和按鍵電平復(fù)位電路，來構(gòu)成單片機(jī)的最小電路。如圖4所示。

圖4 ?單片機(jī)最小系統(tǒng)

頻率、相位表的總體電路圖如圖5所示：

圖5 ?頻率相位表的總體電路圖

基于單片機(jī)簡易數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì)方案（二）

本文利用前置分頻器SAB6456A和高速數(shù)字分頻器74HC390的分頻功能，結(jié)合新型的MSP430F449單片機(jī)，給出了一種新穎的、全自動(dòng)的數(shù)顯測(cè)量射頻頻率的設(shè)計(jì)方案。

圖1 信號(hào)的前端處理及分頻電路

主要器件介紹

MSP430F449單片機(jī)

MSP430F449 采用16位RISC結(jié)構(gòu)，具有豐富的片內(nèi)外設(shè)和大容量的片內(nèi)工作寄存器和存儲(chǔ)器，性能價(jià)格比很高。它的特點(diǎn)包括：

· 超低的功耗：能夠在1.8V~ 3.6V的電壓下工作；具有工作模式（AM）和5種低功耗模式（LPM）。在低功耗模式下，CPU可以被中斷喚醒，響應(yīng)時(shí)間小于6ps。

· 較強(qiáng)的運(yùn)算能力：16位的RISC結(jié)構(gòu)，豐富的尋址方式；具有16個(gè)中斷源，可以任意嵌套；在8MHz時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)下指令周期可達(dá)125ns； 內(nèi)部包含硬件乘法器和大量寄存器，以及多達(dá)64KB的Flash程序空間和2KB的RAM，為存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和運(yùn)算提供了保證。

· 豐富的片上外設(shè)：包括看門狗定時(shí)器，基本定時(shí)器，比較器，16位定時(shí)器（TA、TB），串口0、1，液晶顯示驅(qū)動(dòng)器，6個(gè)8位的I／O端口，12位ADC （最高采樣率200kHz）等。豐富的片上外設(shè)可以很方便地構(gòu)建一個(gè)較為完整的系統(tǒng)。另外，充分利用計(jì)數(shù)器的多路任意波形產(chǎn)生功能和中斷控制功能，保證了一些復(fù)雜的時(shí)序控制任務(wù)的完成。

·方便高效的開發(fā)環(huán)境：MSP430F449是Flash型器件，片內(nèi)有調(diào)試接口和電可擦寫的Flash存儲(chǔ)器，可以先下載程序到Flash內(nèi)，再在器件內(nèi)通過軟件控制程序的運(yùn)行，由JTAG接口讀取片內(nèi)信息供設(shè)計(jì)師調(diào)試。這種方式不需要仿真器和編程器，調(diào)試十分方便。

前置分頻器SAB6456A

SAB6456A是專為UHF/VHF設(shè)計(jì)的前置分頻器。內(nèi)部的MCpin為分頻控制端，可對(duì)頻率范圍為70MHz-1GHz的信號(hào)進(jìn)行64/256分頻，當(dāng)MC pin開路時(shí)為64分頻；當(dāng)MC pin接地時(shí)為256分頻。有較高的靈敏度和較強(qiáng)的諧波抑制能力。

圖2 單片機(jī)外圍電路

工作原理

該設(shè)計(jì)主要分兩部分：分頻和計(jì)數(shù)。首先，輸入信號(hào)限幅后經(jīng)SAB6456A分頻，256分頻后的信號(hào)再經(jīng)兩片74HC390高速分頻器進(jìn)行1000分頻，此時(shí)模擬信號(hào)變?yōu)榈皖l數(shù)字信號(hào)，頻率在10kHz以下；其次，分頻后的信號(hào)直接接入MSP430F449單片機(jī)，利用內(nèi)部的16位定時(shí)器A來定時(shí)和計(jì)數(shù)。該定時(shí)器可分為幾個(gè)部分：計(jì)數(shù)器部分，捕獲/比較寄存器及輸出單元。其中，計(jì)數(shù)器有4種工作模式，3個(gè)捕獲/比較寄存器。利用計(jì)數(shù)器的連續(xù)計(jì)數(shù)模式和上升沿捕獲模式，在定時(shí)器中斷中計(jì)數(shù)N個(gè)脈沖信號(hào)時(shí)間，再除N得到頻率。

硬件設(shè)計(jì)

圖1為信號(hào)的前端處理及分頻設(shè)計(jì)。輸出后的信號(hào)再經(jīng)兩片SN74HC390分頻，SN74HC390是高速分頻器件，最高分頻頻率為50MHz。每片 SN74HC390可實(shí)現(xiàn)100分頻，采用兩片串聯(lián)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的1000分頻，經(jīng)分頻后的數(shù)字信號(hào)頻率較低，約4kHz以下，可由單片機(jī)直接計(jì)數(shù)。

圖2為單片機(jī)外圍電路，包括復(fù)位電路，電源電路和單片機(jī)工作必須的晶振。晶振有8MHz和32.768kHz兩種，8MHz 作為定時(shí)器A的計(jì)數(shù)器輸入時(shí)鐘源；32.768kHz 作為數(shù)碼管的顯示頻率。74LS373為D型鎖存器，5V單電源供電，因輸出電流足夠大，也可以直接驅(qū)動(dòng)共陰極LG3631AH型數(shù)碼管。

軟件設(shè)計(jì)

將分頻的輸出端OUT接至單片機(jī)的頻率輸入端，程序開始先延時(shí)一段時(shí)間，待信號(hào)穩(wěn)定。開捕獲中斷和定時(shí)器A，在定時(shí)器A 中斷中計(jì)數(shù)N個(gè)脈沖，測(cè)量結(jié)束后得到N個(gè)脈沖的時(shí)間，然后除N得到脈沖的頻率，乘以分頻系數(shù)得到實(shí)際頻率并顯示，經(jīng)過短暫延時(shí)后重新測(cè)量，如此循環(huán)測(cè)量并顯示。

在測(cè)量頻率時(shí)，為保證精度要關(guān)掉LED顯示，所以，對(duì)于頻率較低的信號(hào)會(huì)發(fā)生LED閃爍的情況，解決辦法是測(cè)量較少個(gè)脈沖以減少平均測(cè)量時(shí)間或減少延時(shí)。

采用動(dòng)態(tài)掃描顯示，動(dòng)態(tài)掃描顯示的原理是：由P4向各個(gè)位輪流輸出掃描信號(hào)，使每一位瞬間只有一個(gè)數(shù)碼管被選通，然后由P3向該位輸入顯示的字型碼，驅(qū)動(dòng)該位字形段顯示字形。這樣，在P3送出的碼段和P4送出的位段的配合下，使各個(gè)數(shù)碼管輪流顯示各自的字形，每位的顯示時(shí)間要超過1ms，這樣人眼就感覺不到閃爍了。

測(cè)量主程序如下：

void frequency_measure（void）

{float tmp，tmp1;

key_flag=0;//按鍵標(biāo)志清0

P1OUT|=BIT0;

Delay（1000）; file://延時(shí)一段時(shí)間等待信號(hào)穩(wěn)定

while（1）

{ IE2&=~0X80; file://關(guān)BT，關(guān)LED

firstflag=1;//開始測(cè)量第一個(gè)脈沖

TACTL|=TAIE; file://開捕獲

CCTL1|=CCIE;//開timer a

while （f_ok_flag==0）;//等待測(cè)量結(jié)束

f_ok_flag=0;

if （aa1》aa2）

overflow=overflow-1;

tmp=aa2-aa1;

tmp1=40.0/（overflow*0.008191875+（tmp/8000000.0））;

result=tmp1*0.256;

IE2|=0X80;//開BT，開LED

yanshi（2，2）;//可以修改這里的參數(shù)，越大表示延時(shí)越長，太小的話LED就會(huì)變暗

CCTL1&=~CCIE;//關(guān)捕獲

TACTL&=~TAIE;//關(guān)timer a

return;

}

}

流程圖如圖3所示。

圖3 主程序流程

結(jié)語

本文給出的硬件和軟件均經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn)，使用該測(cè)量儀器所測(cè)結(jié)果精度較高。該測(cè)量儀器價(jià)格較低，結(jié)構(gòu)簡單，是一種經(jīng)濟(jì)型的頻率測(cè)試儀。

基于單片機(jī)簡易數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì)方案（三）

本數(shù)字頻率計(jì)將采用定時(shí)、計(jì)數(shù)的方法測(cè)量頻率，采用一個(gè)1602A LCD顯示器動(dòng)態(tài)顯示6位數(shù)。測(cè)量范圍從1Hz—10kHz的正弦波、方波、三角波，時(shí)基寬度為1us，10us，100us，1ms。用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量功能。

基本設(shè)計(jì)原理是直接用十進(jìn)制數(shù)字顯示被測(cè)信號(hào)頻率的一種測(cè)量裝置。它以測(cè)量周期的方法對(duì)正弦波、方波、三角波的頻率進(jìn)行自動(dòng)的測(cè)量。

頻率測(cè)量儀的設(shè)計(jì)思路與頻率的計(jì)算

頻率測(cè)量儀的設(shè)計(jì)思路主要是：對(duì)信號(hào)分頻，測(cè)量一個(gè)或幾個(gè)被測(cè)量信號(hào)周期中已知標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)的周期個(gè)數(shù)，進(jìn)而測(cè)量出該信號(hào)頻率的大小，其原理如右圖1所示。

若被測(cè)量信號(hào)的周期為，分頻數(shù)m1，分頻后信號(hào)的周期為T，則：T=m1Tx 。由圖可知： T=NTo

（注：To為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的周期，所以T為分頻后信號(hào)的周期，則可以算出被測(cè)量信號(hào)的頻率f。）

由于單片機(jī)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)頻率比較穩(wěn)定，而是系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)頻率的誤差，通常情況下很?。欢到y(tǒng)的量化誤差小于1，所以由式T=NTo可知，頻率測(cè)量的誤差主要取決于N值的大小，N值越大，誤差越小，測(cè)量的精度越高。

基本設(shè)計(jì)原理

基本設(shè)計(jì)原理是直接用十進(jìn)制數(shù)字顯示被測(cè)信號(hào)頻率的一種測(cè)量裝置。它以測(cè)量周期的方法對(duì)正弦波、方波、三角波的頻率進(jìn)行自動(dòng)的測(cè)量。

所謂“頻率”，就是周期性信號(hào)在單位時(shí)間（1s）內(nèi)變化的次數(shù)。若在一定時(shí)間間隔T內(nèi)測(cè)得這個(gè)周期性信號(hào)的重復(fù)變化次數(shù)N，則其頻率可表示為f=N/T。其中脈沖形成電路的作用是將被測(cè)信號(hào)變成脈沖信號(hào)，其重復(fù)頻率等于被測(cè)頻率fx。時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器提供標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間脈沖信號(hào)，若其周期為1s，則門控電路的輸出信號(hào)持續(xù)時(shí)間亦準(zhǔn)確地等于1s。閘門電路由標(biāo)準(zhǔn)秒信號(hào)進(jìn)行控制，當(dāng)秒信號(hào)來到時(shí)，閘門開通，被測(cè)脈沖信號(hào)通過閘門送到計(jì)數(shù)譯碼顯示電路。秒信號(hào)結(jié)束時(shí)閘門關(guān)閉，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。由于計(jì)數(shù)器計(jì)得的脈沖數(shù)N是在1秒時(shí)間內(nèi)的累計(jì)數(shù)，所以被測(cè)頻率fx=NHz。

數(shù)字頻率計(jì)（低頻）的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件的構(gòu)成

本頻率計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要元器件是單片機(jī)AT89C51，由它完成對(duì)待測(cè)信號(hào)頻率的計(jì)數(shù)和結(jié)果顯示等功能，外部還要有分頻器、顯示器等器件?？煞譃橐韵聨讉€(gè)模塊：放大整形模塊、秒脈沖產(chǎn)生模塊、換檔模擬轉(zhuǎn)換模塊、單片機(jī)系統(tǒng)、LCD顯示模塊。各模塊關(guān)系圖如圖2所示：

系統(tǒng)工作原理圖

該系統(tǒng)工作的總原理圖如圖3所示：

圖3 數(shù)字頻率計(jì)系統(tǒng)工作原理圖

信號(hào)調(diào)理及放大整形模塊

放大整形系統(tǒng)包括衰減器、跟隨器、放大器、施密特觸發(fā)器。它將正弦輸入信號(hào)Vx整形成同頻率方波Vo，幅值過大的被測(cè)信號(hào)經(jīng)過分壓器分壓送入后級(jí)放大器，以避免波形失真。由運(yùn)算放大器構(gòu)成的射級(jí)跟隨器起阻抗變換作用，使輸入阻抗提高。同相輸入的運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)為（R1+R2）/R1，改變R1的大小可以改變放大倍數(shù)。系統(tǒng)的整形電路由施密特觸發(fā)器組成，整形后的方波送到閘門以便計(jì)數(shù)。

由于輸入的信號(hào)幅度是不確定、可能很大也有可能很小，這樣對(duì)于輸入信號(hào)的測(cè)量就不方便了，過大可能會(huì)把器件燒毀，過小可能器件檢測(cè)不到，所以在設(shè)計(jì)中采用了這個(gè)信號(hào)調(diào)理電路對(duì)輸入的波形進(jìn)行阻抗變換、放大限幅和整形，信號(hào)調(diào)理部分電路具體實(shí)現(xiàn)電路原理圖和參數(shù)如下圖4所示：

時(shí)基信號(hào)的產(chǎn)生原理：

本電路采用32768HZ晶體震蕩器，利用CD4060芯片經(jīng)過14級(jí)分頻得到2HZ的信號(hào)（32768/214），在經(jīng)過CD4013雙D觸發(fā)器經(jīng)過二分頻得到0.5HZ的方波，即輸出秒脈沖信號(hào)使單片機(jī)進(jìn)行計(jì)數(shù)。

圖七 秒脈沖產(chǎn)生電路原理圖