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    高精度低功耗雙路頻率計設(shè)計

    2014-12-31 00:00:00陳健李樂韓云琪等
    電子世界 2014年10期

    【摘要】本文以AT89C51單片機為核心,基于等精度測頻原理,設(shè)計了一款高精度、低功耗多功能頻率計,可以同時測量兩路頻率范圍為1Hz-10MHz的信號的頻率,并且具有存儲和查詢功能,同時提供1K和1M兩路方波信號源。本文采用模塊化設(shè)計,硬件模塊有控制模塊、放大整形模塊、顯示模塊、存儲模塊、標準方波信號源模塊等組成,軟件模塊有頻率范圍判斷、頻率測量及頻率值的顯示等部分組成。

    【關(guān)鍵詞】頻率計;等精度測量;單片機

    引言

    頻率計和信號源是常用的電子設(shè)備,廣泛應(yīng)用于電子測量、通訊和教學(xué)等領(lǐng)域。頻率計的基本功能是測量正弦信號、方波信號及其他變化的物理量在單位時間內(nèi)變化的頻率,而信號源的功能則是提供各種頻率的函數(shù)信號。隨著數(shù)字電子技術(shù)的發(fā)展,頻率測量成為一項越來越普遍的工作,測頻原理和測頻方法的研究正受到越來越多的關(guān)注。

    早期的頻率計采用測頻法或測周法測量頻率,通常由組合邏輯電路和時序電路等硬件電路組成,產(chǎn)品體積大、運行速度慢、測量精度不高,而現(xiàn)在市面上較為流行的頻率計雖然在測頻性能上有很大提高,但通常價格昂貴,同時功能相對單一,如頻率測量和信號源分開,存儲功能不完善等,不適合廣大初學(xué)者的實際需求。

    1.傳統(tǒng)頻率測量方法

    1.1 測頻法

    由控制電路產(chǎn)生測頻所需的滿足一定時序關(guān)系的閘門信號、清零脈沖信號和鎖存脈沖信號。當頻率計正常工作時,寬度為1s的閘門信號作為計數(shù)器的時鐘使能信號,則被測信號作為計數(shù)器的時鐘輸入。當閘門信號為高電平時,計數(shù)器即開始計數(shù);當閘門信號為低電平時,計數(shù)器即停止計數(shù),則1s的閘門時間內(nèi)計數(shù)器的計數(shù)值即為被測信號的頻率。同時,為了保證測評準確,在每次閘門信號開通前提供給計數(shù)器一個清零脈沖信號,讓計數(shù)器處于零狀態(tài),保證計數(shù)器每次都從零開始計數(shù)。

    如果計數(shù)器的輸出直接譯碼顯示,則在閘門信號為高電平期間,頻率計的顯示將會隨著計數(shù)值的增加而不斷變化,不斷閃爍,人眼將難以分辨。為了防止這種現(xiàn)象,在計數(shù)器和譯碼、顯示 之間增加一鎖存電路。只有當計數(shù)器停止計數(shù)后(閘門信號由高變低后),才將計數(shù)值鎖存并譯碼顯示。為了防止顯示閃爍,鎖存信號的周期必須大于人的視覺滯留時間(約為0.1s)。

    1.2 測周期法

    將被測量信號經(jīng)過整形后轉(zhuǎn)換成方波信號,利用單片機查詢兩個上升沿,在此期間根據(jù)晶體振蕩器產(chǎn)生的周期為 Tc的脈沖送計數(shù)器進行計數(shù),設(shè)計數(shù)值為N,則得被測量信號的周期值Tx=Tc×N,然后取其倒數(shù)即為被測量信號的頻率。

    1.3 等精度測量法

    2.具體模塊電路設(shè)計

    (1)根據(jù)上述系統(tǒng)分析,本系統(tǒng)設(shè)計包括以下幾個模塊電路:單片機微處理電路、寬帶信號放大電路、信號整形電路、雙路切換電路、10分頻電路、顯示電路、存儲電路、分頻驅(qū)動電路1和分頻驅(qū)動電路2??傮w框圖如圖2所示。

    (2)各模塊設(shè)計與功能如下:

    1)單片機微處理電路

    本電路的主芯片是AT89S52單片機,它是一個低功耗,高性能CMOS8位單片機,片內(nèi)含8kBytes的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造,兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu),芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器、ISP Flash存儲單元、32位I/O口線、看門狗定時器、2個數(shù)據(jù)指針、3個16位定時器/計數(shù)器和一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu),功能強大的AT89S52可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價比的解決方案。

    2)寬帶信號放大電路、信號整形電路

    寬帶信號放大電路的功能是對待測信號進行放大處理,降低對待測信號幅度的要求。型號整形電路是對一些不是方波的待測信號轉(zhuǎn)化成方波信號,便于測量。

    為了簡化設(shè)計,本設(shè)計讓輸入信號先經(jīng)過一個模擬電路進行信號的放大處理,兼顧了高頻和低頻信號,然后用芯片74HC14充當比較器,把信號轉(zhuǎn)換為0和1的數(shù)字信號。原理圖如圖3所示。

    3)雙路切換電路

    為了實現(xiàn)同時測量兩路信號,設(shè)計了雙路切換電路,如圖4所示。其工作原理為:當選擇端信號為低電平‘0’時,芯片74HC00的 Y1口輸出為高電平‘1’,Y2口輸出為信號2的非,經(jīng)過與非門(A3 B3 Y3)后,Y3口輸出為信號2;當選擇端信號為‘1’時,Y2口輸出為高電平‘1’,Y1口輸出為信號1的非,經(jīng)過與非門(A3 B3 Y3),Y3口輸出為信號1。

    4)10分頻電路

    10分頻電路如圖5所示。本電路采用74HC390異步雙二—五—十進制加法計數(shù)器實現(xiàn)分頻。內(nèi)有兩組計數(shù)器,每組計數(shù)器由兩個計數(shù)器組成,1個一位二進制計數(shù)器和1個五進制計數(shù)器,它們可以單獨計數(shù),但清零時同時清零。 二進制計數(shù)器:A時鐘,QA輸出 ;五進制計數(shù)器:B時鐘,QD,QC,QB輸出 。信號從4端口輸入,每記滿五個數(shù)從6端口輸出一個數(shù)送入端口12,再次記滿五個數(shù)時從端口10輸出一個數(shù)送入端口1,記滿兩次時從端口3輸出一個數(shù)送入15,再次記滿兩次時從13口輸出。即每當輸入端輸入5*5*2*2個數(shù)時,輸出端輸出一個數(shù),也就是實現(xiàn)了100分頻。

    3.實驗測試結(jié)果

    此外,我們對兩路信號的輸出頻率進行了測量,其頻率分別為1K和1M,沒有誤差。

    4.結(jié)束語

    本頻率計的測量范圍是1Hz~10MHz,自帶量程自動切換,1KHZ、1MHZ標準方波信號源功能??梢酝瑫r測量兩路信號的頻率。具有成本低、精度高、多功能等優(yōu)點。可廣泛應(yīng)用于實踐教學(xué)、電子制作和生產(chǎn)流水線。具有廣闊的市場潛力。

    參考文獻

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    [3]汪首坤,杜波濤,王軍政.自適應(yīng)等精度頻率測量方法與實現(xiàn)[J].傳感技術(shù)學(xué)報,2007,20(2);346-347.

    項目資助(編號:JG00613JX07 SZDG2013016)。

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