基于单片机的数字频率计设计与实践

陈晨

渤海大学



基于单片机的数字频率计设计与实践

陈晨

渤海大学

随着社会的不断发展，电子信息技术的不断进步，涉及数字电子电路的频率的接收以及发送的探讨也越来越多，该领域的许多学者在对频率接收测定的研究方面取得了很大的成就，并且将该研究投入到实践应用中也日益普遍。传统的频率计的设计组成部件包括了时序电路以及逻辑电路，传统的频率计存在两个缺点分别是频率测量的范围受到了很大的限制以及运行的效率低。所以随着电子信息的不断发展，传统的频率计已经很难适应现代社会在该领域的要求，本论文针对基于单片机的频率计进行分析与讨论，介绍了电路的组成部分，以及电路的工作原理，器件的选择问题。

频率计 单片机 实践

1　引言

在通信电子电路中，频率作为一个必不可少的参数，在电子技术中有着重要的作用，而且对于大多数的电参量的测量有着决定结果的重要性，所以由此看来对于频率的测量相对而言就比较重要，关于频率测量有很多的方法，在这些所有的方法中通过电子计数器进行频率的测量的应用比较广泛，因为使用电子计数器测量的优势包括易于操作，精确性很高，测量效率高等，而且还可以通过自动化进行频率测量。本论文主要围绕基于单片机数字频率计设计与实践进一步展开。

使用单片机频率计具有效率高，易于操作，速度快，交互友好等优点，使用涉及到的领域也很多，同时投入的资金也比较少，节省开销，外形精简易于携带。在测量三角波，方波甚至是正弦波的时候可以采用单片机频率计，本论文讨论的数字频率计中的主控制元件是单片机，而且还包括了一些外围的芯片，本论文设计的数字频率计频率很高，而且可以使得测量的范围相对于传统的频率计要高出很多，最大的值可以是20MHz，最小的是1Hz，这个新型的数字频率计的设计主要采用的测频方法是两种，分频的方式是自动式的，该基于单片机的频率计可以实现高精度，高频率地测量。

2　主要器件介绍

本论文中设计的数字频率计的重要组成元件是单片机，本文选择的单片机是GMS97C205，选择的晶体振荡器准则是12MHz的等待测量的信号，当该信号的电压减少时候就会和GMS97C205的NT1的引脚连接起来，然后利用计数器以及定时器进行中断控制，脉冲信号中的信号是通过定时器来计时测量的，所以在这个过程中单片机的操作进行了两次，而且用到的中断信号也使用了两次，但是这两次使用的中断信号从外部来看完全是一致的，而单片机完成的两次操作确是不同的，不同之处在于当在进行的中断是第一次的时候，就会开启计数器操作，定时器也启动，不同于第一次的中断，在接着的中断中，计数器操作将会终止，这两次的中断之间的区别是第一次中断是时候计数器中的数字是0，而第二次中断的时候计数器的数字是从计数操作开始到计数操作结束的过程，所以这个时候的计数器里面是有数值的。根据这里计数器中数字的区别可以设置一个F0的标志位，这个标志位定义了当F0是0的时候代表计数器操作开启，当F0是等于1的时候代表的是计数器停止，然后再把测量后所获得的结果进行转化以十进制的形式存在，最终结果显示在数码管上。频率测量的原理图如图1-1所示。

图1-1　频率测量原理图

其中原理图中的74LS164的逻辑功能表如表1-1所示。

表1-1　逻辑功能表

3　数字频率计设计原理

本文的数字频率计采用的测频方法是脉冲定时，根据相关的软件的部分原理从而完成测频系统的设事实上对于数字频率计的问题的分析的原理就是测定单位时间内的物理量的测量，这种测量是周期性的，在测量数字频率计中的物理量的时候那些关于预测的一些步骤方法是能够直接去掉的，所以这样一来可以使得在频率的划分方面大大地提高了效率，这种方式有利于弥补采用传统方法时的漏洞，传统的数字测频会产生在测频换段的时候所存在的繁琐，而测频换段会出现在频段低的地方。通常而言，所谓的物理量的测量实际上就是计算每隔一秒钟数字信号中的脉冲有多少个，这个一秒指的就是所谓的阀门的时间。但是这个阀门时间不是固定的，可以人为的进行改变，除了设置为1秒之外还可以设置为1秒以外的范围。阀门的时间如果保持的越久那么频率的结构就会更加地精确，阀门的时间如果保持的越长，那么表明测量一次物理量后频率间的间隔也就更长。

该设计中主要的核心设计就是单片机，结合计时器，定时器完成物理量的测定，最终再利用单片机动态扫描的功能把测定的结果显示到数字显示电路上，基于单片机的数字频率计的设计原理如图1-2所示。

图1-2　数字频率计的设计原理

4　总体设计

4.1硬件组成电路

基于单片机的数字频率计的设计的硬件组成部分主要包括了分频模块，显示模块，数据选择模块以及单片机，信号整形电路，信号整形部分主要是处理待测的信号，分频器主要是处理方波，分频信号主要是单片机进行决定的，而且此外单片机还对信号自身的频率进行计数的处理，最后将这个结果以代码的形式发送到LCD上将结果进行呈现。

主芯片控制模块的设计：该模块主要是为了进行计数的操作，将待测信号的数目一起记录下来，而且还控制译码与显示。通过系统里面设计的定时器以及计数器进行测量待测信号的频率以及其周期。定时器以及计数器的操作实现是通过编程来完成在频率测量以及周期测量所产生的误差。

放大整形模块的设计：在数字的频率计设计中需要放大待测的信号，这个过程的实现就需要在放大电路中实现，当信号放大后，就可以使得信号幅度有所降低。测量的时候的信号需要进行转变为方波，如果不是方波的时候就需要通过整形电路将其变为方波，从而有助于进行信号测量。

基准频率模块的设计：本文中选择了GMS97C205，目的是为了生成标准的频率，要想实现产生的频率是稳定的就离不开硬件中的定时器。

4.2显示模块

通常情况下显示模块选择的是以数码管形式为主进行显示，但是本文中的系统为了可以省电，在外形设计上可以简便易携，形状小之外，选择了LCD1602，在液晶的显示屏上加入一些提示的内容这样对于使用者而言有很大的益处。

5　硬件设计

5.1译码器

该系统中的数字频率计选择的译码器型号是74LS145，移位存储器选择的是74LS164，之所以译码器选择的是74LS145，这是因为ICM7218B是一种集合多电路，分位驱动以及BCD译码器于一身的芯片，电路的设计方面虽然精简，但是花费会比较昂贵，一般人很难接受这个价格，所以考虑这个现实的因素，选择了74LS145型号的译码器。

5.2数显单元

数字频率计的显示模块的显示方式选择的是LED的形式，该模块主要是通过将每个分位的端通过并联的方式连接起来，端口控制选择的是I/O的控制从而最终实现进行多路的复用。数显单元中的位选是译码器，段选是移位寄存器，将所有的段选部分以并联的方式连接位选，移位寄存器端输出的段选码和位选部分的是相同的。

6　结语

本文的主要介绍了基于单片机的数字频率计的基本实现原理以及硬件的组成部分。基于单片机的数字频率计的设计相比于传统的设计在精确度方面获得了很大的提高而且操作起来比较方便，投入的成本低弥补了传统的频率计的缺陷，随着社会的不断发展，电子信息技术的不断进步，本文讨论的基于单片机的数字频率计在实际的应用中有着很大的实践意义。

［1］ 张毅坤，陈善久，裘雪红.单片微型计算机原理及应用［M］.西安：西安电子科技大学出版社，1998

［2］ 万光毅，孙九安，蔡建平.SOC单片机实验、实践与应用设计-------基于C8051F系列［J］.北京航空航天大学出版社，2006

［3］ 王玉兰.基于低采样率的高频信号精密数字化测量方法研究［D］（ 硕士学位论文）.北京： 中国科学院研究生院，2010