1、基于单片机的数字频率计设计摘要频率信号具有抗干扰能力强、易于传输、测量精度高等优点，因此在实际测量系统中，经常通过测量待测信号频率达到测量其他参量的目的。本文简要介绍了几种数字频率计的设计方案，其中基于单片机的数字频率计设计方案，具有硬件简单、易于调试、扩展能力强等优点。本文设计的数字频率计采用脉冲数定时测频法测量频率。数字频率计以单片机为核心，主要分为放大电路、波形变换和整形电路、分频电路、单片机和数据显示电路组成，设计以单片机为核心，被测信号先进入信号放大电路进行放大，再被送到波形整形电路整形，把被测的正弦波或者三角波整形为方波。利用单片机的计数器和定时器的功能对被测信号进行计数。编写相应
2、的程序可以使单片机自动调节测量的量程，并把测出的频率数据送到显示电路显示。关键词 数字频率计，单片机，测量频率AbstractFrequency signal has a strong anti-jamming capability, easy to transport and the advantages of high measurement precision, so in the actual measuring system, often through measuring for the signal frequency achieve the purpose of measuri
3、ng other parameters.This paper presents the design of digital frequency meter, focusing on many alternatives to microcontroller as control core,Realize the digital frequency for frequency measurement project design，its hardware design is simple and easily debugging,and has expansion ability. Selecte
4、d design ideas which directly measuring frequency law in the high-band and testing cycle law in the low-band.The hardware partially is composed by enlarged circuit ,the profile transformation and the reshaping circuit ,the gate at the base control circuits ,sub-frequency circuits,the microcontroller
5、 and the date display electrice cricuit; The software design is achieved by many functional modules,such as the signal 基于单片机的数字频率计设计Ifrequency measurement module,the signal cycle survey module,timer interruption of service module,the data display module and so-on. Achieving counting function and con
6、version between cycle and frequency by using control functions and mathematics operation ability of microcontroller.Like these the survey scope can achieve 1HZ-10MHZ.Key Words digital frequency meter, microcontroller, frequency measurementsII目录摘要 .IAbstract.I目录 .III1 绪论 .11.1 课题研究背景及意义 .11.2 市场频率计厂商
7、介绍 .31.3 数字频率计设计的任务与要求 .42 测频方法选择 .52.1 测频方法设计的几种方案 .52.2 几种方案的优劣讨论 .62.3 本次设计采用的方案 .63 数字频率计的硬件电路设计 .73.1 数字频率计的硬件系统框架 .73.2 单片机电路设计 .83.3 放大整形电路 .173.4 显示电路的设计 .263.5 数字频率计的分频电路的设计 .303.6 数字频率计电源模块的设计 .334 数字频率计软件程序设计 .354.1 软件设计规划 .354.2 定时器设计 .364.3 程序流程图设计 .374.4 主程序 .385 结论 .41致 谢 .42参考文献 .43附
8、录一 翻译 .44附录二 程序 .51附录三 数字频率计原理图 .54基于单片机的数字频率计设计- 0 -1 绪论1.1 课题研究背景及意义数字频率计是一种基础测量仪器，到目前为止已有 30 多年的发展史。早期，设计师们追求的目标主要是扩展测量范围，再加上提高测量精度、稳定度等，这些也是人们衡量数字频率计的技术水平，决定数字频率计价格高低的主要依据。目前这些基本技术日臻完善，成熟。应用现代技术可以轻松地将数字频率计的测频上限扩展到微波频段。纵观国内外研究现状，目前国外市场上的频率计数器，都是基于脉冲计数的原理，其功能除了直接测量频率值外，还可以测量信号周期、多周期、时间间隔、脉冲宽度、频率比、
9、占空比、统计计数等，有的甚至可以测量频率参数以外的参数，如电压、相位、功率等。这种以频率测量为主体的多功能数字式测量仪器，也称电子计时器。如单片机频率计 CM7216D 是美国 intersil 公司首先研制的专用测频大规模集成芯片。它是标准的 28 引脚的双列直插式集成电路，采用单一的+5V 稳压电源工作它内含高频振荡器、 10 进制计数器、 7 段译码器、位多路复位器、能直接驱动 LED 显示器的 8 段段码驱动器、8 位位码驱动器。其基本的测频范围为 DC 至 10MHZ，若加预置的分频电路则上限频率可达 40MHZ 至100MHZ。从 80 年代单片机引入我国至今，单片机已广泛地应用于
10、电子设计中，使频率计智能化水平在广度和深度上产生了质的飞跃,数字化也成为了电子设计的必由之路。运用 51 系列单片机和高速计数器的组合设计频率计,并采用适当的算法取代传统电路，不仅能克服传统频率计结构复杂、稳定性差、精度不高的弊端，而且频率计性能也将大幅提高,可实现精度较高、等精度和宽范围频率计的要求。随着单片机技术的不断发展，单片机能实现更加灵活的逻辑控制功能，具有很强的数据处理能力，可以用单片机通过软件设计直接用十进制数字显示被测信号频率。我国研制的中国虚拟测振仪，其包含的 DASP 系统可同时运行多个虚拟仪器软件，具有数百项分析测试功能，其测频范围为 DC-200MHz 超低频测量达到
11、0.0001HZ主要技术指标居国内领先水平，达国际先进水平。我国利用相检宽带技术设计的高精度频率计也非常具有突破性和实用性。该项新技术及仪器是对已有测频技术的特点及存在问题推出完全新颖的检测精度高、便于实施且设备构成又比较经济的一种新技术及仪器。其测量精度高于一般机器 1000 倍以上而其价格只相当于基于单片机的数字频率计设计- 1 -国外同档价格的 1/2 和 1/8。科学技术发展越快，产品的更新周期就越短，数字化电子产品更是如此。数字频率计作为一种电子测量仪器，其发展趋势主要有以下三个方向。发展趋势之一：从以前的模拟器件设计数字频率计逐步转变为数字芯片设计数字频率计。这样的转变使得频率计的
12、设计更趋于自动化、智能化。现在的电子产品主要是采用 EDA 技术和单片机技术作为核心控制系统，辅以外围电路，制成高端数字化产品。频率计正是朝着这个方向发展。EDA 技术是以计算机为工具，在 EDA 软件平台上，根据硬件语言 VHDL完成设计文件，自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合及优化布局线、仿真，直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作。FPGA/CPLD是高密度现场可编程逻辑芯片，能够将大量的逻辑功能集成于一个单个器件中，它提供的门数从几百门到上百万门，可以满足不同的需要。数字频率计借助于EDA 工具 FPGA/CPLD 进行开发有很大的优越性：（1）编程方式简便、先进。
13、（2）高速。 （3）高可靠性。 （4）开发工具和设计语言标准化，开发周期短。（5）功能强大，应用广阔。这样的优点使得数字频率计的设计变得简单。但同时采用 EDA 技术开发频率计存在一个缺点：对电路进行逻辑综合优化时，最终设计和原始设计在逻辑实现和时延方面有一定的误差，这样使得频率计的测量精度受到很大影响。因此 EDA 计数还需要不断的改进，以解决在测量时存在的问题，适应电子产品测量的要求。但肯定的是，用 EDA 技术进行电子产品的设计、开发是有很大发展前景的。单片机数字频率计是现阶段电子产品开发时采用的主要技术，它在今后的一段时间内仍然占据着主导地位。单片机是单片微型计算机的简称，将把微型计算
14、机的三大组成部分（CPU+ 存储器+I/O 接口）和一些实时控制所需要的功能器件集成在该芯片上，来实现计算机的功能部分。在实际应用中大都嵌入到控制系统中，所以单片机系统也叫嵌入式系统。现在国内单片机应用中最常见的有 Intel 公司的 MCS 系列，Microchip 公司的 PIC16 系列，台湾凌阳公司的 SPCE016X 系列。单片机设计数字频率计有很多的优点：（1）集成度高。 （2）系统结构简单，性价比高。 （3）系统扩展方便。 （4）抗干扰性强，可靠性高。 （5）处理能力强，速度快。 （6）开发方便。 （7）兼容性好。另外，单片机内部强大的运算能力和控制能力，使得开发像频率计这样对测
15、量精度要求精度很高的电子仪器时，变得更加的有效。内部丰富的存储资源，能够满足频率计设计的各种不同需求。可以说，单片机的进步指导着频率计的发展方向。发展趋势之二：在功能上从以前的仅实现单一频率测量扩展到还能测周期、占空比、脉冲等各种参数指标。数字技术的不断成熟，使得在一块很小的板子上制作大规模、多功能的电子产品变得非常的容易、方便。当然，功能的实现是以- 2 -强大的软件技术做后盾的，以后的频率计等测量仪器将在编程语言的不断优化下，数字技术的不断完善下实现更多的功能。发展趋势三：频率计虚拟化。随着计算机的普及，利用计算机做显示和操作台的虚拟仪表，也越来越被广泛应用。目前主流的开发平台是 NI 公
16、司的 Lab VIEW。电子测量技术的发展，单片机技术和大规模可编程数字逻辑电路的普及为频率测量的结构简单提供了技术基础，使得频率测量正朝着高灵敏度、高可靠性、全集成化和智能化的方向发展。智能化芯片的应用，使得同一硬件具有多种不同的功能，为多样化、系统化带来了便利。以后数字化智能频率计将在满足测量要求和实现功能的同时，也为操作频率计的人，带来使用上的方便和舒适。总之，数字频率计正向着更高的精确度，更低的测量误差，更多的功能实现，更少的价格，更人性化，更智能化方向发展。随着科学技术的发展，用户对数字频率计也提出了新的要求。对于低档产品要求使用操作方便，量程（足够）宽，可靠性高，价格低。而对于中高
17、档产品， 则要求有高分辨率，高精度，高稳定度，高测量速率；除通常通用频率计所具有的功能外，还要有数据处理功能，统计分析功能，时域分析功能等等，或者包含电压测量等其他功能。这些要求有的已经实现或者部分实现，但要真正完美的实现这些目标，对于生产厂家来说，还有许多工作要做，而不是表面看来似乎发展到头了。 随着数字集成电路技术的飞速发展，应用计数法原理制成的数字式频率测量仪器具有精度高、测量范围宽、便于实现测量过程自动化等一系列的突出特点。本课题的研究内容为数字频率计的单片机实现，主要涉及信号的预处理、数据采集、计算、译码及量程的自动转换等功能模块的软硬件实现。通过该项设计，可以将模拟电路及数字电路的
18、理论知识运用于实际设计中，并熟练编程控制单片机的能力，同时提高分析问题和解决问题的能力。1.2 市场频率计厂商介绍目 前 ， 市 场 上 的 频 率 计 厂 家 可 分 为 三 类 ： 中 国 大 陆 厂 家 、 中 国 台 湾 厂 家 、欧 美 厂 家 。 其 中 ， 欧 美 频 率 计 厂 家 所 占 有 的 市 场 份 额 最 大 。 欧 美 频 率 计 厂 家 主 要 有 ： Pendulum Instruments 和 Agilent 科 技 。 Pendulum Instruments 公 司 是 一 家 瑞 典 公 司 ， 总 部 位 于 瑞 典 首 都 斯 德 哥尔 摩 。 P
19、endulum 公 司 源 于 Philips 公 司 的 时 间 、 频 率 部 门 ， 在 时 间 频 率 测 量领 域 具 有 40 多 年 的 研 发 生 产 经 历 。 Pendulum Instruments 公 司 常 规 频 率 计 型号 主 要 有 ： CNT-91、 CNT-90、 CNT-81、 CNT-85。 同 时 ， Pendulum Instruments 公 司 还 推 出 铷 钟 时 基 频 率 计 CNT-91R、 CNT-85R。 以 及 微 波 频 率基于单片机的数字频率计设计- 3 -计 CNT-90XL（ 频 率 测 量 范 围 高 达 60G） 。
20、 Agilent 科 技 公 司 是 一 家 美 国 公 司 ， 总 部 位 于 美 国 的 加 利 福 尼 亚 。 Agilent科 技 公 司 成 立 于 1939 年 ， 在 电 子 测 量 领 域 也 有 着 70 多 年 的 研 发 生 产 经 历 。Agilent 科 技 公 司 的 常 规 频 率 计 信 号 主 要 有 ： 53181A、 53131A、 53132A。 同时 ， Agilent 科 技 公 司 还 推 出 微 波 频 率 计 ： 53150A， 53151A， 53152A（ 频 率测 量 范 围 最 高 可 达 46G） 。1.3 数字频率计设计的任务与要求
21、单片机控制的数字频率计1.测频范围：10Hz10KHz。为保证测量精度分三个频段10Hz100Hz，100Hz1KHz，1KHz10KHz，有超量程指示。2.输入波形：函数信号发生器输出正弦波，三角波，矩形波，幅度为 5V，能产生所需频率的脉冲信号。3.测量误差： 1。- 4 -2 测频方法选择2.1 测频方法设计的几种方案测量频率的方法有很多种，主要分为模拟法和数字法两大类，因为本次设计的要求和环境，现在主要讨论数字法中的电子计数式的几种测频方法。电子计数式的测频方法主要有以下几种：脉冲数定时测频法(M 法)，脉冲周期测频法(T 法 )，脉冲数倍频测频法 (AM 法) ，脉冲数分频测频法(A
22、T 法)，脉冲平均周期测频法(M/T 法) ，多周期同步测频法。下面是几种方案的具体方法介绍。脉冲数定时测频法(M 法)：此法是记录在确定时间 Tc 内待测信号的脉冲个数Mx，则待测频率为：Fx=Mx/Tc (2-1)脉冲周期测频法(T 法)：此法是在待测信号的一个周期 Tx 内，记录标准频率信号变化次数 Mo。这种方法测出的频率是：Fx=Mo/Tx (2-2)脉冲数倍频测频法(AM 法)：此法是为克服 M 法在低频测量时精度不高的缺陷发展起来的。通过 A 倍频，把待测信号频率放大 A 倍，以提高测量精度。其待测频率为：Fx=Mx/ATo (2-3)脉冲数分频测频法(AT 法)：此法是为了提高
23、 T 法高频测量时的精度形成的。由于 T 法测量时要求待测信号的周期不能太短，所以可通过 A 分频使待测信号的周期扩大 A 倍，所测频率为：Fx=AMo/Tx （2-4）脉冲平均周期测频法(M/T 法)：此法是在闸门时间 Tc 内，同时用两个计数器分别记录待测信号的脉冲数 Mx 和标准信号的脉冲数 Mo。若标准信号的频率为Fo，则待测信号频率为：Fx=FoMx/Mo （2-5）基于单片机的数字频率计设计- 5 -多周期同步测频法：是由闸门时间 Tc 与同步门控时间 Td 共同控制计数器 计数的一种测量方法，待测信号频率与 M/T 法相同。2.2 几种方案的优劣讨论以上几种方法各有其优缺点：脉冲
24、数定时测频法，时间 Tc 为准确值，测量的精度主要取决于计数 Mx 的误差。其特点在于：测量方法简单，测量精度与待测信号频率和门控时间有关，当待测信号频率较低时，误差较大。脉冲周期测频法，此法的特点是低频检测时精度高，但当高频检测时误差较大。脉冲数倍频测频法，其特点是待测信号脉冲间隔减小，间隔误差降低；精度比 M 法高 A 倍，但控制电路较复杂。脉冲数分频测频法，其特点是高频测量精度比 T 法高 A 倍，但控制电路也较复杂。脉冲平均周期测频法，此法在测高频时精度较高，但在测低频信号时精度较低。多周期同步测频法，此法的优点是，闸门时间与被测信号同步，消除了对被测信号计数产生的1 个字误差，测量精
25、度大大提高，且测量精度与待测信号的频率无关，达到了在整个测量频段等精度测量。2.3 本次设计采用的方案根据频率的定义，频率是单位时间内信号波的个数，因此采用上述各种方案都能实现频率的测量。但是本论文设计的是一个用单片机做为电路控制系统的数字式频率计，采用脉冲定时测频法，则在低频率的测量时误差会大一些。采用脉冲周期测频法则测高频率时精度无法保证；采用脉冲数倍频测频法和脉冲数分频测频法则精度有所提高，但控制电路较复杂；采用脉冲平均周期测频法则很难兼顾低频信号的测量；而采用多周期同步测频法，闸门时间与被测信号同步，消除了对被测信号计数产生的1 误差，测量精度大大提高，且测量精度与待测信号的频率无关，达到了在整个测量频段等精度测量。本次设计由于个人水平有限，因此，本次设计根据需要，采用脉冲定时测频法。
