近年來,電子信息產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展,促使頻率信號測量在各領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛。但是,以往應(yīng)用邏輯電路和時序電路所設(shè)計的頻率計一般測量頻率范圍較小且運行較慢。本文介紹的基于單片機的頻率測量電路設(shè)計采用的方法是先將待測頻率信號通過放大器進行放大處理,然后對放大后的脈沖信號進行整形、分頻處理,最后通過單片機處理器測量頻率信號。

1頻率測量電路設(shè)計原理

頻率測量電路的設(shè)計原理:首先被測頻率信號通過放大器進行放大處理,接著對放大后的脈沖信號進行整形、分頻處理,然后由單片機控制選擇器選擇分頻通道,被選擇的分頻信號進入單片機處理器,最后利用單片機處理器依據(jù)存儲的標準頻率信號測量分頻后的被測信號。

被測頻率信號周期7x的計算公式如下:

式中,m為分頻數(shù):N為周期內(nèi)通過標準頻率信號的個數(shù):70為標準信號周期,70=1/0。

則被測信號頻率:

2頻率測量電路的硬件設(shè)計

本次設(shè)計的基于單片機的頻率測量電路硬件部分主要由單片機、放大整形電路、分頻電路以及顯示電路等組成。

2.1單片機選擇

AT89C51是MCS-51系列中的一個典型單片機,因其性能卓越得到了廣泛應(yīng)用。首先,程序?qū)懭敫颖憬?這是由于單片機的程序存儲器采用閃速存儲器:其次,芯片尺寸更小巧,整個電路體積更小,功能更為強大,且性價比更高。芯片內(nèi)含8sk可反復(fù)擦寫的只讀存儲器和256k的隨機存儲數(shù)據(jù)存儲器、B2個I/o接口線、B個16位定時/計時器、片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。同時,8位單片機的總線結(jié)構(gòu)可完全兼容SA4828,且直接連接。運用AT89C51單片機作為頻率測量電路的控制核心,能夠滿足頻率測量需求。單片機能夠采集測量信號,選擇不同的頻率輸入,提供標準的測量信號,測量脈沖個數(shù),經(jīng)過計算得到被測信號頻率。因此,本文設(shè)計的基于單片機的頻率測量電路中的單片機選用AT89C51單片機。

2.2放大整形電路

本文基于單片機的頻率測量電路設(shè)計中的放大整形電路由BDG100、74LS00、2NB904等型號的高頻晶體管組成。利用晶體管及其他電氣元件組成放大器,將包括三角波、方波和正弦波輸入頻率信號進行放大處理。經(jīng)放大處理后輸出的波形頻率信號通過觸發(fā)器整形處理,輸出矩形脈沖信號。放大整形電路圖如圖1所示。

2.3分頻模塊電路

基于單片機的頻率測量電路設(shè)計中采用分頻模塊主要是為了擴大頻率測量電路的測量范圍,將采集到的被測頻率信號進行分頻處理,有利于單品機進行頻率測量,同時還能降低系統(tǒng)測量頻率產(chǎn)生的誤差。由于本次設(shè)計所選用的單片機型號為AT89C51,因此本次頻率測量電路設(shè)計采用74LS161進行16分頻和JK觸發(fā)器512分頻設(shè)計分頻電路。

2.4顯示模塊電路

基于單片機的頻率測量電路設(shè)計中顯示電路的動態(tài)顯示部分采用四位共陽極數(shù)碼管,為了確保能夠清晰明亮地顯示頻率值,采用4個PNP三極管進行驅(qū)動,以便于觀察測量。為了保證數(shù)碼管能夠顯示清晰的數(shù)值,本次設(shè)計加入了74L246來驅(qū)動數(shù)碼管,便于頻率值的測量與調(diào)試:使用8位數(shù)碼管進行頻率值顯示,采用共陽極數(shù)碼管74LS246驅(qū)動進行動態(tài)顯示。

3頻率測量電路軟件模塊設(shè)計

3.1主程序設(shè)計

頻率測量電路的系統(tǒng)軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計方法。整個頻率測量系統(tǒng)主要由初始化模塊、信號頻率測量模塊、量程轉(zhuǎn)換模塊和測量值顯示模塊等組成。系統(tǒng)主程序流程圖如圖2所示。基于單片機的頻率測量電路在每次測量前或測量結(jié)束后都需要對系統(tǒng)進行初始化,初始化過程主要是設(shè)置單片機內(nèi)部的定時/計數(shù)器、工作寄存器以及其他控制單元的工作方式。系統(tǒng)開始測量頻率時,單片機計數(shù)寄存器清零,開始對待測頻率信號計數(shù)。判斷測量頻率信號的有效位數(shù)是否滿足要求,若不滿足要求則繼續(xù)測量,直至滿足后將測得的頻率值輸出到電路顯示模塊:頻率測量電路系統(tǒng)對于高頻信號先進行分頻處理,再用單片機對頻率信號進行技術(shù)測量,對于低頻信號則不需要分頻處理,而是直接進行頻率信號測量,不僅擴大了頻率測量范圍,還提高了頻率測量電路的測量精度。

3.2中斷服務(wù)子程序設(shè)計

當(dāng)頻率測量電路測量頻率時,單片機中的定時器處于定時狀態(tài),設(shè)定為每次定時50ms,當(dāng)中斷時長為1s時單片產(chǎn)生標準信號,這時定時器T0變?yōu)橛嫈?shù)模式,統(tǒng)計頻率信號數(shù)量,由于每秒鐘的開始和結(jié)束時分別啟動和關(guān)閉定時器,因此定時器所統(tǒng)計數(shù)量與分頻系數(shù)的積就為測量到的頻率值。頻率測量電路的中斷服務(wù)子程序流程圖如圖3所示。

4結(jié)語

頻率測量正隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步而在各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,單片機以靈活的應(yīng)用方式、強大的控制功能以及低廉的價格在多個領(lǐng)域中得到應(yīng)用。本文基于單片機對頻率測量電路進行控制,利用放大整形模塊對待測信號進行處理,利用分頻模塊對頻率信號進行分頻,利用數(shù)字顯示電路對頻率測量結(jié)果進行顯示,真正實現(xiàn)了頻率測量的數(shù)字化、智能化、自動化。本文所設(shè)計的基于單片機的頻率測量電路具有整體結(jié)構(gòu)簡潔、穩(wěn)定性好、可靠性高、測量準確度高、測量范圍廣、響應(yīng)速度快、使用方便靈活等特點。