第1 頁共27 頁 1 概述 頻率計的基本原理是用一個頻率穩(wěn)定度高的頻率源作為基準(zhǔn)時鐘，對比測 量其他信號的頻率。通常情況下計算每秒內(nèi)待測信號的脈沖個數(shù)，此時我們稱 閘門時間為1 秒。閘門時間也可以大于或小于一秒。閘門時間越長，得到的頻 率值就越準(zhǔn)確，但閘門時間越長則沒測一次頻率的間隔就越長。閘門時間越 短，測的頻率值刷新就越快，但測得的頻率精度就受影響本文。數(shù)字頻率計是 用數(shù)字顯示被測信號頻率的儀器，被測信號可以是正弦波，方波或其它周期性 變化的信號。因此，數(shù)字頻率計是一種應(yīng)用很廣泛的儀器 電子系統(tǒng)非常廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)，到處可見到處理離散信息的數(shù)字電路。 數(shù)字電路制造工業(yè)的進(jìn)步，使得系統(tǒng)設(shè)計人員能在更小的空間內(nèi)實現(xiàn)更多的功 能，從而提高系統(tǒng)可靠性和速度。 集成電路的類型很多，從大的方面可以分為模擬電路和數(shù)字集成電路2 大 類。數(shù)字集成電路廣泛用于計算機、控制與測量系統(tǒng)，以及其它電子設(shè)備中。 一般說來，數(shù)字系統(tǒng)中運行的電信號，其大小往往并不改變，但在實踐分布上 卻有著嚴(yán)格的要求，這是數(shù)字電路的一個特點。 2 系統(tǒng)的總體設(shè)計： 2.1 原理設(shè)計 本頻率計的設(shè)計以AT89S52 單片機為核心，利用它內(nèi)部的定時/計數(shù)器完成 待測信號周期/頻率的測量。單片機AT89S52 內(nèi)部具有2 個16 位定時/計數(shù)器, 定時/計數(shù)器的工作可以由編程來實現(xiàn)定時、計數(shù)和產(chǎn)生計數(shù)溢出中斷要求的功 能。在構(gòu)成為定時器時,每個機器周期加1 (使用12MHz 時鐘時,每1us 加1)，這 樣以機器周期為基準(zhǔn)可以用來測量時間間隔。在構(gòu)成為計數(shù)器時,在相應(yīng)的外部 引腳發(fā)生從1 到0 的跳變時計數(shù)器加1，這樣在計數(shù)閘門的控制下可以用來測 量待測信號的頻率。外部輸入每個機器周期被采樣一次，這樣檢測一次從1 到0 的跳變至少需要2 個機器周期(24 個振蕩周期) ,所以最大計數(shù)速率為時鐘頻率 的1/24 (使用12MHz 時鐘時,最大計數(shù)速率為500 KHz) 。定時/計數(shù)器的工作由 相應(yīng)的運行控制位TR 控制,當(dāng)TR 置1 ,定時/計數(shù)器開始計數(shù);當(dāng)TR 清0 ,停止計 數(shù)。設(shè)計綜合考慮了頻率測量精度和測量反應(yīng)時間的要求。例如當(dāng)要求頻率測 量結(jié)果為4 位有效數(shù)字,這時如果待測信號的頻率為1Hz ，則計數(shù)閘門寬度必須 大于1000s。為了兼顧頻率測量精度和測量反應(yīng)時間的要求,把測量工作分為兩 種方法。當(dāng)待測信號的頻率大于等于2Hz 時,定時/ 計數(shù)器構(gòu)成為計數(shù)器，以機 器周期為基準(zhǔn),由軟件產(chǎn)生計數(shù)閘門,這時要滿足頻率測量結(jié)果為4 位有效數(shù)字, 則計數(shù)閘門寬度大于1s 即可。當(dāng)待測信號的頻率小于2Hz 時，定時/ 計數(shù)器構(gòu) 成為定時器,由頻率計的予處理電路把待測信號變成方波,方波寬度等于待測信號 的周期。用方波作計數(shù)閘門，完全滿足測量精度的要求。 頻率計的量程自動切換在使用計數(shù)方法實現(xiàn)頻率測量時，這時外部的待測信 號為定時/ 計數(shù)器的計數(shù)源，利用定時器實現(xiàn)計數(shù)閘門。頻率計的工作過程為： 首先定時/計數(shù)器T0 的計數(shù)寄存器設(shè)置一定的值,運行控制位TR0 置1，啟動定 時/ 計數(shù)器0；利用定時器0 來控制1S 的定時，同時定時/計數(shù)器T1 對外部的待 第2 頁共27 頁 測信號進(jìn)行計數(shù),定時結(jié)束時TR1 清0 ,停止計數(shù)；最后從計數(shù)寄存器讀出測量數(shù) 據(jù)，在完成數(shù)據(jù)處理后，由顯示電路顯示測量結(jié)果。在使用定時方法實現(xiàn)頻率測 量時,這時外部的待測信號通過頻率計的予處理電路變成寬度等于待測信號周期 的方波，該方波同樣加至定時/ 計數(shù)器1 的輸入腳。這時頻率計的工作過程為: 首先定時/ 計數(shù)器1 的計數(shù)寄存器清0 ,然后檢測到方波的第二個下降沿是否加 至定時/ 計數(shù)器的輸入腳；當(dāng)判定下降沿加至定時/計數(shù)器的輸入腳，運行控制位 TR0 置1 ,啟動定時/計數(shù)器T0 對單片機的機器周期的計數(shù)，同時檢測方波的第 三個下降沿；當(dāng)判定檢測到第三個下降沿時TR0 清0 ，停止計數(shù)，然后從計數(shù) 寄存器T0 讀出測量數(shù)據(jù)，在完成數(shù)據(jù)處理后，由顯示電路顯示測量結(jié)果。測量 結(jié)果的顯示格式采用科學(xué)計數(shù)法,即有效數(shù)字乘以10 為底的冪。這里設(shè)計的頻 率計用4 位數(shù)碼管顯示測量結(jié)果。 定時方法實現(xiàn)頻率測量。定時方法測量的是待測信號的周期，這種方法只設(shè) 一種量程，測量結(jié)果通過浮點數(shù)運算模塊將信號周期轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的頻率值,再將 結(jié)果送去顯示。這樣無論采用何種方式，只要完成一次測量即可,頻率計自動開 始下一個測量循環(huán),因此該頻率計具有連續(xù)測量的功能,同時實現(xiàn)量程的自動轉(zhuǎn) 換。 數(shù)字頻率計的硬件框圖如圖2.1 所示。 由此可以看出該頻率計主要由八部分組成，分別是： (1)待測信號的放大整形電路 因為數(shù)字頻率計的測量范圍為峰值電壓在一定電壓范圍內(nèi)的頻率發(fā)生頻率 發(fā)生周期性變化的信號，因待測信號的不規(guī)則，不能直接送入FP