基于单片机的数字频率计设计与实践

刘刚

摘要：伴随着社会发展，我国数字电化信息产业也得到了重要的发展契机，数字信息信号发送和接受频率的测定在有关科学理论研究和生产实践应用两个方面的作用越来越突出。普通的频率计是以利用逻辑电路和时序电路设计构成的，在生产实践应用方面有运行速度慢和测频范围狭窄两个明显的缺陷，显然以及无法满足于当今社会各领域生产事业的发展需要。那么，该文就基于单片机的数字频率计的设计与实践展开讨论，从该频率计的设计原理、设计方案重点分析。

关键词：单片机；数字频率计；设计；实践

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）09-2091-02

基于单片机的数字频率计是现代数字化电路中一种较为典型的仪表设备，由于先前很长一段时间内频率计在数字电路中的联机形式都比较繁杂且在很多情况下会对系统产生延迟问题，由此在形成可编程逻辑器件并应用的过程当中数字电路整个系统得到了很大程度的简化，整体性能稳步提升。数字频率计以采用十进制数组为基础来显示所测数字信号频率的一种仪表设备，可测定数字信号的正弦波、方波、三角波和尖脉冲信号等，同时对这些数字信号的波动周期也可测定。如经优化改装，数字式脉宽测量仪可测定其脉冲宽度、数字电容测量仪可测定电容。因此，数字频率仪在有关物理量测定方面的应用范围极广。

1 数字频率计设计原理及方法

1.1 原理

通常，测定物理量频率问题的软件都是基于对电路系统设计而得到的成果。该文讨论基于单片机的数字频率计设计以采取脉冲定时测频方法为例，遵照基本的软件设计原理完成软件实现来进行相关测频处理。

分析数字频率计的设计原理实质上是关于物理量在单位时间之内发生周期性的测定，数字频率计测定物理量可省去对实测之前的一些预测手段，一定程度上节约了划分频率的时间，由此规避了传统方法对高频段测定采取测频模式、低频段采取周期模式而产生测频换段麻烦的缺陷。一般情况下，要测定物理量每秒需测数字信号的脉冲数量，我们把闸门时间称之为1秒，但实际的闸门时间既可以大于1秒也可以小于1秒。闸门时间越长久则说明我们所取得的频率结构越精确，而闸门时间越长则有说明在每测定物理量的一次频率结果之间的间隔时间就会越长，反则如是。

基于单片机作为设计核心，以单片机拥有计数定时辅助功能来实现对物理量频率的测定，最后由单片机的动态扫描将所得结果的数据信息发送至数字显示电路当中。其基本的设计原理框图如图1。

以上基本设计原理图就是一单片机为设计核心，被测物理量信号首先进入到信号放大电路中进行放大处理，然后进入到波形信号整形电路予以整形处理，将被测正弦波或三角波物理量转变为方波形式，最后由单片机的计数器和定时器对被测物理量信号频率进行计数并以预先已编好程序实现单片机自动调制测定的量程显示出测定频率的数据结果于数字显示电路当中。据此原理分析，该系统的设计核心基础为单片机，系统所应用的元件较少且电路设计简便，最后的调制过程也仅仅是将程序设定编程稍作修改即可实现对不同频率范围内物理信号频率测定量程和输出显示的过程。

1.2 方法

数字频率计的测定方法很多，主要含模拟法和数字法两种。就本文单片机数字频率计而言，其所要求的设计条件和环境笔者主要就以数字法中电子计数式的若干测频方法作讨论。电子计数式方法主要包括脉冲数定时测频法（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（AT法），脉冲平均周期测频法（M/T法）和多周期同步测频法等。

1）脉冲数定时测频法（M法）：于记录时间（Tc）内确定被测物理信号的脉冲数量（Mx），则频率值（Fx）为Fx=Mx/Tc。

2）脉冲周期测频法（T法）：于物理信号在一个运行周期（Tx）以内，记录频率信号的变化次数（Mo），则频率值（Fx）为Fx=Mo/Tx。

3）脉冲数倍频测频法（AM法）：本方法是为解决脉冲数定时测频法（M法）在测定低频物理量精度低问题中总结出来的。利用A倍频将被测物流信号频率放大至原来的A倍，则频率值（Tx）为Fx=Mx/ATo。

4）脉冲数分频测频法（AT法）：本方法是为解决脉冲周期测频法（T法）在测定高频物理量精度问题中总结出来的。利用A分频将被测物理信号的周期延长至原来的A倍，则频率值（Fx）为Fx=AMo/Tx。

5）脉冲平均周期测频法（M/T法）：本方法以Tc表示闸门时间，利用两个计数仪表分开记录被测物理信号的脉冲数量（Mx）和标准物理信号的脉冲数量（Mo），则频率值（Fx）为Fx=FoMx/Mo。

6）多周期同步测频法：本方法同样以Tc表示闸门时间，以Td表示同步门控时间，利用计数仪表实现对物理信号频率值的测定，频率值（Fx）为Fx=FoMx/Mo。

2 基于单片机的数字频率计设计的应用实践

2.1简介

基于单片机PT89C51作为设计核心的数字频率计，辅以数字译码和显示电路单元构成整个工作系统。对不同频率范围物理信号进行频率测定，首先是将被测物理信号输入至单片机，利用单片机的计数功能和计时功能来控制频率计数，进而将计数结果输送至译码器74- LS145与移位寄存器74LS164，最终由驱动LED数码显像管来显示频率值，其设计测频原理如图2所示。

2.2选择元件

1）单片机。单片机选择AP89C51型号是因为其具有更为灵活和便于调试编程程序且引脚更多。AP89C51是一种集合于CPU、RAM、ROM、定时器、计数器以及多功能I/O端口等多种元件，拥有40种引脚、32种外部输入/输出I/O端口、2种外中断口、2个16进制可编制程序语音的定时计数器和2个全双工串行通讯端口。单片机的片内同时也集成了内容为4KB的FLASHPEROM以存储相关应用程序，这类FLASH存储程序除了可进行一般离线编程响应以外，还可对系统中在线编程加以响应，同时又为系统编程进行可靠的三级加密保护。AT89C5单片机还拥有比对MCS-51系统单片机更为利好的运行效率，其金振频率可达24兆赫兹，运作周期则为500毫秒。系统在实际设计当中，具体是将P1.0端口和具有存储功能型号为74LS164的寄存器A、B两端口加以串联并可输出待测的数据信息。P1.1端口则连接同样具有存储功能型号为74LS164的寄存器的CLK（即第八引脚）可输出时钟的数据信号。P1.5、P1.6以及P1.7端口连接型号为74LS145译码器的A、B、C三个端口可输出位控制数据信号。P3.5 T1端口输入脉冲信号。XTAL1与XTAL2两个管脚则连接两个30 皮法电容和12兆赫兹的晶振组成时钟电路。RST管脚则连接1千欧、10千欧、20微法电容和复位开关组成开关复位电路。

2）译码器。数字频率计采用型号为74LS145译码器和型号为74LS164具有存储功能的移位寄存器。如HARRIS公司生产研发的ICM7218B是将BCD译码器、多电路扫描仪、分段驱动和分位驱动合一一体的共阴极数码驱动芯片，其电路驱动构成较为简单、显示电路的软件设计同样简便，但利用成本普遍高于我们实际的需要，故而舍去对ICM7218B共阴极数码驱动芯片的应用转而应用74LS145译码器。

3）数显单元。数字频率计的数显单元以LED动态显示的方式呈现，其组成是由所有分位的段选线以并联形式连接，利用8进制I/O端口进行控制形成多路复用的效果。译码器（型号为74LS145）是此组成的位选部分，移位寄存器（型号为74LS164）则为段选部分。各个位选部分和段选部分完成并联结构之后，由段选部分输出的段选码对于各个位选结构来讲是一致的。在系统运行的同一时刻，假使每一个分位段选线均处于一种选通状态，六位制的LED数显单位将以扫描的方式显示一致的字符。

3 结束语

综上所述，基于单片机的数字频率计设计原理较为简单且便于调试，但往往具有一定局限性，这主要体现于测定物理频率的范围会严格受制于单片机的计数速率。因此，从理论上讲，我们仍然可以在其设计原理方面加深研究以扩宽测频范围。如在原系统的基础上增加倍频和分频电路构成从而实现对数字变频电路的扩展。

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