基于單片機簡易數(shù)字頻率計設(shè)計方案（一）

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

測量頻率的原理

定時/計數(shù)器工作在方式1，每產(chǎn)生一次定時器0中斷，計數(shù)65536個脈沖，此時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，定時器0中斷的次數(shù)u，以及此時定時/計數(shù)器0計數(shù)寄存器的數(shù)值X，即可求得待測方波的周期為：T=（65536*u+X）us，取其倒數(shù)即可求得待測方波的頻率，小數(shù)點后保留兩位，即可使得頻率精度為0.1HZ。

相位差的測量原理

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

其中，脈沖寬度的測量方法與方波周期的測量方法相同。相位差測量的原理圖如下：

本設(shè)計中，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。單片機正常工作時，都需要有一個時鐘電路和一個復(fù)位電路。本設(shè)計中選擇了內(nèi)部時鐘方式和按鍵電平復(fù)位電路，來構(gòu)成單片機的最小電路。如圖4所示。

圖4 ?單片機最小系統(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

基于單片機簡易數(shù)字頻率計設(shè)計方案（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，給出了一種新穎的、全自動的數(shù)顯測量射頻頻率的設(shè)計方案。

圖1 信號的前端處理及分頻電路

主要器件介紹

MSP430F449單片機

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)工作寄存器和存儲器，性能價格比很高。它的特點包括：

· 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)時間小于6ps。

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

· 豐富的片上外設(shè)：包括看門狗定時器，基本定時器，比較器，16位定時器（TA、TB），串口0、1，液晶顯示驅(qū)動器，6個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)建一個較為完整的系統(tǒng)。另外，充分利用計數(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行，由JTAG接口讀取片內(nèi)信息供設(shè)計師調(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)計的前置分頻器。內(nèi)部的MCpin為分頻控制端，可對頻率范圍為70MHz-1GHz的信號進行64/256分頻，當MC pin開路時為64分頻；當MC pin接地時為256分頻。有較高的靈敏度和較強的諧波抑制能力。

圖2 單片機外圍電路

工作原理

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

硬件設(shè)計

圖1為信號的前端處理及分頻設(shè)計。輸出后的信號再經(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可實現(xiàn)100分頻，采用兩片串聯(lián)，可實現(xiàn)對信號的1000分頻，經(jīng)分頻后的數(shù)字信號頻率較低，約4kHz以下，可由單片機直接計數(shù)。

圖2為單片機外圍電路，包括復(fù)位電路，電源電路和單片機工作必須的晶振。晶振有8MHz和32.768kHz兩種，8MHz 作為定時器A的計數(shù)器輸入時鐘源；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)動共陰極LG3631AH型數(shù)碼管。

軟件設(shè)計

將分頻的輸出端OUT接至單片機的頻率輸入端，程序開始先延時一段時間，待信號穩(wěn)定。開捕獲中斷和定時器A，在定時器A 中斷中計數(shù)N個脈沖，測量結(jié)束后得到N個脈沖的時間，然后除N得到脈沖的頻率，乘以分頻系數(shù)得到實際頻率并顯示，經(jīng)過短暫延時后重新測量，如此循環(huán)測量并顯示。

在測量頻率時，為保證精度要關(guān)掉LED顯示，所以，對于頻率較低的信號會發(fā)生LED閃爍的情況，解決辦法是測量較少個脈沖以減少平均測量時間或減少延時。

采用動態(tài)掃描顯示，動態(tài)掃描顯示的原理是：由P4向各個位輪流輸出掃描信號，使每一位瞬間只有一個數(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，使各個數(shù)碼管輪流顯示各自的字形，每位的顯示時間要超過1ms，這樣人眼就感覺不到閃爍了。

測量主程序如下：

void frequency_measure（void）

{float tmp，tmp1;

key_flag=0;//按鍵標志清0

P1OUT|=BIT0;

Delay（1000）; file://延時一段時間等待信號穩(wěn)定

while（1）

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

firstflag=1;//開始測量第一個脈沖

TACTL|=TAIE; file://開捕獲

CCTL1|=CCIE;//開timer a

while （f_ok_flag==0）;//等待測量結(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)，越大表示延時越長，太小的話LED就會變暗

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)過實踐檢驗，使用該測量儀器所測結(jié)果精度較高。該測量儀器價格較低，結(jié)構(gòu)簡單，是一種經(jīng)濟型的頻率測試儀。

基于單片機簡易數(shù)字頻率計設(shè)計方案（三）

本數(shù)字頻率計將采用定時、計數(shù)的方法測量頻率，采用一個1602A LCD顯示器動態(tài)顯示6位數(shù)。測量范圍從1Hz—10kHz的正弦波、方波、三角波，時基寬度為1us，10us，100us，1ms。用單片機實現(xiàn)自動測量功能。

基本設(shè)計原理是直接用十進制數(shù)字顯示被測信號頻率的一種測量裝置。它以測量周期的方法對正弦波、方波、三角波的頻率進行自動的測量。

頻率測量儀的設(shè)計思路與頻率的計算

頻率測量儀的設(shè)計思路主要是：對信號分頻，測量一個或幾個被測量信號周期中已知標準頻率信號的周期個數(shù)，進而測量出該信號頻率的大小，其原理如右圖1所示。

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

（注：To為標準信號的周期，所以T為分頻后信號的周期，則可以算出被測量信號的頻率f。）

由于單片機系統(tǒng)的標準頻率比較穩(wěn)定，而是系統(tǒng)標準信號頻率的誤差，通常情況下很小；而系統(tǒng)的量化誤差小于1，所以由式T=NTo可知，頻率測量的誤差主要取決于N值的大小，N值越大，誤差越小，測量的精度越高。

基本設(shè)計原理

基本設(shè)計原理是直接用十進制數(shù)字顯示被測信號頻率的一種測量裝置。它以測量周期的方法對正弦波、方波、三角波的頻率進行自動的測量。

所謂“頻率”，就是周期性信號在單位時間（1s）內(nèi)變化的次數(shù)。若在一定時間間隔T內(nèi)測得這個周期性信號的重復(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信號變成脈沖信號，其重復(fù)頻率等于被測頻率fx。時間基準信號發(fā)生器提供標準的時間脈沖信號，若其周期為1s，則門控電路的輸出信號持續(xù)時間亦準確地等于1s。閘門電路由標準秒信號進行控制，當秒信號來到時，閘門開通，被測脈沖信號通過閘門送到計數(shù)譯碼顯示電路。秒信號結(jié)束時閘門關(guān)閉，計數(shù)器停止計數(shù)。由于計數(shù)器計得的脈沖數(shù)N是在1秒時間內(nèi)的累計數(shù)，所以被測頻率fx=NHz。

數(shù)字頻率計（低頻）的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)硬件的構(gòu)成

本頻率計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要元器件是單片機AT89C51，由它完成對待測信號頻率的計數(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€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)字頻率計系統(tǒng)工作原理圖

信號調(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Vx整形成同頻率方波Vo，幅值過大的被測信號經(jīng)過分壓器分壓送入后級放大器，以避免波形失真。由運算放大器構(gòu)成的射級跟隨器起阻抗變換作用，使輸入阻抗提高。同相輸入的運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數(shù)。

由于輸入的信號幅度是不確定、可能很大也有可能很小，這樣對于輸入信號的測量就不方便了，過大可能會把器件燒毀，過小可能器件檢測不到，所以在設(shè)計中采用了這個信號調(diào)理電路對輸入的波形進行阻抗變換、放大限幅和整形，信號調(diào)理部分電路具體實現(xiàn)電路原理圖和參數(shù)如下圖4所示：

時基信號的產(chǎn)生原理：

本電路采用32768HZ晶體震蕩器，利用CD4060芯片經(jīng)過14級分頻得到2HZ的信號（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，即輸出秒脈沖信號使單片機進行計數(shù)。

圖七 秒脈沖產(chǎn)生電路原理圖