基于单片机的数字频率计设计

西安外事学院 王立红

图1 系统原理图

图2 整形电路设计

图3 整形电路仿真输出

图4 分频数据选择器

1.引言

在电子技术中，频率是最基本的参数之一，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，因此频率的测量就显得更为重要。测量频率的方法有多种，其中电子计数器测量频率具有精度高、使用方便、测量迅速，以及便于实现测量过程自动化等优点，是频率测量的重要手段之一。本文介绍了基于单片机的数字频率计设计与实现。

2.硬件组成电路

2.1 信号整形电路

信号整形部分主要是将待测信号整形成为能够让计数器识别并计数的脉冲信号。采用LM311构成的过零比较器，LM311的转换速度为200ns，即转换频率为f=1/T=1/(200ns)=5MHz，带宽增益为4MHz。

图5 分频电路仿真

在Multisim下的整形电路的仿真如图2所示。

仿真输出的波形如图3所示。

观察输出的波形，当输入信号电平大于零时，输出高电平5V；当输入信号电平小于零时，输出电平0V。通过此整形电路，把正弦、三角波信号转换为方波信号，而方波信号能够被单片机识别进行计数。

2.2 分频电路与数据选择

本设计的硬件电路由单片机、信号整形电路、分频模块、数据选择模块及显示模块等组成，系统原理如图1所示。待测信号通过信号整形部分，将周期信号转换成所需要的方波，方波通过分频器处理，由单片机来控制选择不同的分频信号，并将信号的频率计数，转化为相应的显示代码发往LCD输出显示结果。

图6 单片机控制流程图

分频与数据选择是由两个部分组成的，即分频部分和数据选择部分。

分频处理部分的作用是利用分频来克服单片机自身计数范围有限的缺点，间接的扩大了它的测频范围，采用的芯片为CD4518。通过两片CD4518芯片得到十分频、一百分频、一千分频、一万分频的脉冲信号。

本设计中所测频率范围是1Hz-1MHz。在待测频率较大时，由于单片机自身频率的限制，无法完成计数。AT89C52单片机采用的是12MHz晶振，当计算机识别1次计数时需要花费两个机器周期，最大计数速度为振荡频率的1/24。在采用12MHz晶振的情况下，单片机的最大计数速度是12MHz×1/24=0.5MHz，即500KHz。被测信号越接近500KHz，所测得的数据误差就越大。当待测信号频率大于500KHz时，单片机是测不到其频率的。为尽可能避免上述情况的发生就需要分频器将信号频率降低，也就是分频，这样单片机就能对信号正常计数了。

数据选择部分选用的是74LS151，74LS151为互补输出的8选1数据选择器。将分频器分出的十分频、一百分频、一千分频、一万分频的脉冲信号接八路模拟开关74LS151的I1、I2、I3、I4、I5口，使用单片机控制74LS151来选择不同分频信号就能实现所需功能。

具体连接方式如图4所示。

由于Multisim中没有CD4518元器件，用类似于它的74ls390进行代替，仿真的电路图5所示。当输入的信号为1kHz的时候的，输出的一级、二级、三级分频的波形的周期分别为10ms、100ms、1s，符合分频的要求，完成仿真。而实际中由于分频会造成信号的失真，因此可能要加入一个滤波器，除去噪声信号。

3.单片机控制流程设计

单片机控制流程如图6所示。

4.结束语

本系统采用信号整形、信号分频及数据选择电路设计，单片机采用AT89C52，用C51语言编程，实现了对不同波形、不同频率信号的测量。在测试时根据被测信号频率的不同，选择不同的预置闸门时间。根据测试结果，在低频端测量误差＜0.01%，在高频端测量误差＜0.001%，达到设计要求。对误差进行分析，主要是计数器没有经过同步门，存在±1量化误差，这也是误差存在的主要来源。

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