发设计，实现频率的测量，不但测量准确，精度高，而且 误差也很小。在这里，我们将介绍种简单实用的基于单片机的数字频率计的设计和 制作。 频率计发展现状及研究概况 由于当今社会的需要，对信息传输和处理的要求不断提高，对频率的测量的精度也需要更高 更准确的时频基准和更精密的测量技术。而频率测量所能达到的精度，主要取决于作为标准频率 源的精度以及所使用的测量设备和测量方法。目前，测量频频的方法有直接测频法内插法游 标法频差倍增法等等。直接测频的方法较简单，但精度不高。频差倍增多法和周期法是种频 张国兴用单片机制作数字频率计电子制作 第页 差倍增法和差拍法相结合的测量方法，这种方法是将被测信号和参考信号经频差倍增使被测信号 的相位起伏扩大，再通过混频器获得差拍信号，用电子计数器在低频下进行多周期测量，能在较 少的倍增次数和同样的取样时间情况下，得到比测频法更高的系统分辨率和测量精度，但是仍 然存在着时标不稳而引入的误差和定的触发误差。 在电子系统广泛的应用领域中，到处看见处理离散信息的数字电路。供消费用的冰箱和电视 航空通讯系统交通控制雷达系统医院急救系统等在设计过程中都用到数字技术。数字频率计 是现代通信测量设备系统中必不可少的测量仪器，不但要求电路产生频率的准确度和稳定度都高 的信号，也要能方便的改变频率。 数字频率计的实现方法主要有直接式锁相式直接数字式和混合式 直接式 优点速度快相位噪声低，但结构复杂杂散多，般只应用在地面雷达中。 锁相式 优点相位同步的自动控制，制作频率高，功耗低，容易实现系列化小型化模块化和工 程化。 直接数字式 优点电路稳定精度高容易实现系列化小型化模块化和工程化。 本课题研究背景及主要研究意义 因为数字频率计是计算机通讯设备音频视频等科研生产领域必不可少的测量仪器，所以 频率的测量就显得更为重要。在数字电路中，频率计属于时序电路，它主要由具有记忆功能的触 发器构成。在计算机及各种数字仪表中，都得到了广泛的应用。本课题采用的是直接测频式的频 率计，设计原理简单电路稳定测量精度高，大大的缩短了生产周期。 数字频率计的种类 现在市面上通常使用的数字频率计主要有以下几种 采用中小规模数字集成电路，用机械式功能转开关换挡，完成频率，周期以及脉宽等功能 李建忠单片机原理及应用西安西安电子科技大学出版社， 第页 的计数器。此种数字频率计是较早时期的电子产品，到现在中小规模集成电路应用技术不断 完善时，它的应用也不断得到加强。但很明显，此种数字频率计已处于淘汰阶段，由于其自 身不具备智能化自动化，完全借助于机械示的操作，对些智能的频率计功能已无法完成， 所以，现在使用这种数字频率计的已经很少。 采用现场可编程门阵列作为系统控制核心制成的数字频率计。它通过 技术和硬件描述语言对进行数字频率计的设计。这种技术是在近几年才发展起来 的新技术，具有很大的发展空间和应用价值。 采用单片机为系统控制核心的数字频率计。这种数字频率计具有非常明显的优势体积小， 所用芯片少，精度高，测量范围广，易于扩展功能，智能化自动化强度高，便于控制。因 此采用单片机技术设计数字器件已逐渐成为主流。 第页 第二章数字频率计的结构设计 本课题设计的是种以单片机为主控制的频率计。该频率计首先是以信号放大整形后的方波 对不同频率范围的信号直接由接口电路送给单片机,由单片机的计数器对其进行计数,最后通过 显示电路显示数值。数字频率计主要由以下几部分组成时基电路逻辑控制电路 可控制的显示电路。因为单片机内部振荡频率很高,所以个机器周期的量化误差相当小, 可以提高低频信号的测量的准确性。本课题主要是以单片机为核心,通过计数电路, 以及软件程序的编写,实现脉冲频率的显示。整体设计思路可用框图表示。框图中各部分的 作用及所采用的器件说明如下 图设计思路框图 控制电路 如图，图所示，控制电路是整机电路设计成败的关键。它逻辑性强，时序关系配合 得当。控制电路的作用是产生锁存保持信号，使内的计数结果显示段时间，以便观察， 下步输出清零脉冲，使计数器的原纪录数据清零，准备下次计数。 唐俊翟，许雷，张群瞻单片机原理与应用北京冶金工业出版社， 待测信号 单片机 停止译码 数据显示电路 有效位判 断 是 否 第页 控制电路产生的锁存信号应在计数结束串接起来进行显示,显示数据即是对频率计的测量结果。如图所以 王保强，窦文，白红高精度测频方案设计成都信息工程学院学报 第页 图显示电路图 其流程框图如图所示。 图动态显示流程图 要显示的数据以码的方式存放在单片机的存储单元中。首先将位选码段选码初 始化赋值，分别送单片机端口，通过查表将存储单元的数据送显示调延时程序，指向下 个显示单元，直到所有位显示完退出。 开始 置段码位选码初值 位选码送口 段选码转字型码 段选码送口 位选码左移位 指向下个显示单元 显示完 延时 返回 第页 在通过软件实现动态显示的时候，需要用到字型码查表图，现将表列出下 表七段显示器共阴极字型码 显示字符字型码 共阴极 全亮 全灭 徐煜明，韩雁单片机原理及接口技术北京电子工业出版社， 第页 软件设计流程图 本设计中软件流程如图所示。为使图所示流程能顺利地完成预期的功能,在初始化部分, 计数部分,除法部分,数据显示部分都分别设计了流程图。完成信号的周期测量后,需要 做次倒数运算才能获得信号的频率。为提高运算精度,这里采用定点算术运算,需要自 行编写出发指令,即组成除法部分。 图软件设计流程图 ， ， 开始 入口 系统初始化 频率计数 显示 第页 第三章频率测量原理 在电子技术中,频率是最基本的参数之,并且与许多电参量的测量方案测量结果都有十 分密切的关系,本次设计的频率测量系统以单片机为核心,采用语言和直接测量方法, 成功地实现了宽领域,高精度的数字频率计的设计和仿真。 测量频率的原理 在测量过程中定时计数器和的工作方式设置，由图可知，是工作在计数状态下， 对输入的频率信号进行计数，但对工作在计数状态下的，最大计数值为，由于 ，因此的最大计数频率为。对于频率的概念就是在秒只数脉冲的个数，即 为频率值。所以工作在定时状态下，每定时秒中到，就停止的计数，而从的计数单 元中读取计数的数值，然后进行数据处理。送到数码管显示出来。工作在定时状态下，最大定 时时间为，达不到秒的定时，所以采用定时，共定时次，即可完成秒的定时功 能。 直接测频法 频率测量的基本原理如图所示。 图直接测频法的原理框图 图中晶体振荡提供了测量的时间基准，经放大整形后的测量信号进入计数器进行计数，再由 显示电路显示数据结果。 计数器显示 控制过程 时间闸门 晶体振荡 放大整形 第页 第四章系统设计 功能实现 本次采用单片机设计的数字频率计主要实现以下几个功能 用位数码管显示三个频段的待测脉冲信号的频率值。 频率测量范围从。 能测量正弦波，三角波，锯齿波等多种波形信号的频率值。 硬件部分设计 频率计由单片机信号预处理电路测量数据显示电路所组成，其中信号预处理电 路包括待测信号放大波形变换波形整形和分频电路。系统硬件实现框图如图所示。 图系统硬件实现框图 信号放大电路 采用两个三极管级联方式实现对待测信号的放大,降低对待测信号的幅度要求。如图 所示。前个三极管采用共集电极方式，主要是为了获得比较宽的频带，并不具有实质性的放大 作用。后个三极管采用共发射极方式，主要作用是放大非常弱的输入脉冲信号，般通过它的 放大后，其电压可以达到伏以上。为了消除不必要的噪声信号干扰，在两级放大电路中都可以加 入滤波电容，保证待测信号的稳定。 待测电路放大电路 波形变换整形 单片机显示电路 第页 图放大电路 单片机 在实际的设计中，将的口设置为接收数据端口，将口设置为第二功能。用 于直接测频率时脉冲信号的计数端用于定时。将口和口设置为发送数据端口。口 的各引脚接到的输入端，用于段驱动口用于位驱动。单片机复位端可采用内部软 件复位，也可采用外部手动复位，实际操作也很方便。这里采用外部手动复位，为图且晶体振 荡器电路如图所示 图单片机复位电路图晶体振荡器电路 刘雪根数字频率计的误差分析自动化与仪表 第页 测量数据显示电路 如图所示。般而言，数据显示有静态显示和动态显示两种。所谓静态显示，就是当显示 器显示个字符时，相应的发光二极管恒定地导通和截止。它的优点是显示稳定，显示亮度大 缺点是使用的数码管数量少。正是因为它的这个缺点和本设计的要求，数字频率计的显示电路选 择了采用动态扫描显示。所谓动态显示，就是显示器位位地轮流电亮扫描。对于每 位显示器来说，每隔段时间点亮次。显示器的亮度既与导通电流有关，也与 显示器点亮时间和间隔时间的比例有关。通过调整显示器的导通电流和时间比例参数，可以 实现较高亮度且稳定的显示。具体工作过程是显示器采用共阴极动态显示形式，位 用两块四位集成的数码管连接组成。频率计数结果以码的形式存放在的存储单元中， 通过口接到上，控制位的段选码通过口接到上，控制位的位选 码。是位总线驱动器，由芯片上的引脚脚控制数据的传输方向。当时，数据 从端传送到端当时，数据从端传送到端。根据本设计的原理图知，数据是从端传 送到端，因此设，即是高电平有效。另外，由于单片机的口没有上拉电阻，在将 口设置为输出端时，必须考虑在段驱动的每段位上接入上拉电阻，使显示管能够工作。我 们知道，单片机的口扫描输出时总有位为高电平，如果没有反相驱动器将这位的高电平变 成低电平，那在上显示出来的将是乱码。是六与非门反相驱动器，正好符合我们的设 计要求。由于是位显示管，所以采用两个来控制。