基于Arduino的高精密数字频率计的设计
2020-10-19颜谦和颜珍平
颜谦和，颜珍平
(湖南铁道职业技术学院，湖南株洲 412001)
0 引言
准确实现电子技术中的频率响应、滤波电路中设计的选频网络、信号源的设计等都需要测量频率[1]，频率测量的精密度决定了设计系统的精密性，因此实现频率的精密测量至关重要。
频率测量的方法有多种，其中应用计数法原理制成的数字式频率测量仪器具有精度高、使用方便、测量迅速的特点，便于实现测量过程自动化[2-7]。其工作原理为测量通过测量一定闸门时间内信号的脉冲个数，然后以数字形式显示频率值。
当前的许多简易频率计大多采用CPLD或者PFGA进行设计[8-11]，因为CPLD和FPGA的采样频率、响应速度快，可实现宽频率的快速测量，但是CPLD和FPGA比较贵，编程设计难度大。本文拟基于Arduino，设计一款简易高精度数字频率计，采用模块化和层次化的设计思路，运用mega2560单片机进行数据的处理和分析，可实现50 mV～2 V的正弦波和矩形波的频率精准测量。测量范围能够达到1 Hz～10 MHz，测量精度达到0.000 1 Hz。
1 系统总体设计与工作原理
系统总体框图如图1所示。主要包括电源电路、放大与整形电路、单片机主控电路、分频电路、显示电路、闸门信号产生电路等[12-13]。采用Arduino系列中的新型芯片mega2560设计并制作一个闸门时间为1 s的数字频率计，实现对频率和周期的测量。
图1 系统总体框图
2 硬件电路设计
2.1 电源电路
本设计采用LM7805稳压芯片提供5 V电压供电。全波电路图如图2所示，具体组成：引入12～24 V交流电压、经过二极管整流、电容简单滤波、LM7805稳压和2.5 V为基准的模拟信号地。
图2 电源电路图
2.2 放大与整形电路
放大与整形电路由NE5534构成。NE5534构成的闭环放大器将输入为FX的周期信号引入正弦波、矩形波，进行同相放大。将电源电压设为5 V，当输入电压信号幅值比较大时，将放大后的波形控制在5 V以内，NE5534构成的过零比较器对放大器的输出进行整形，使之成为矩形脉冲。
具体的电路图如图3和图4所示。
图4 信号整形电路图
图3 信号放大电路图
2.3 闸门电路设计
闸门信号产生电路由频率为32.768 kHz的晶振电路、CD4060构成的14级分频器和CD4013构成的2级分频器组成，当晶振单路提供的32.768 kHz的标准正弦波频率经过CD4060和CD4013构成的16级分频(32768/216)得到频率为0.5 Hz的方波，由此就产生了1 s的闸门信号。电路如图5所示。
图5 1 s闸门信号产生电路图
2.4 分频电路设计
通过CD4060进行多级分频，具体电路如图6所示。
图6 分频电路
3 系统软件设计
主程序主要完成硬件的初始化、信号的采集、数据的处理和数据的显示功能。具体流程图如图7所示。
图7 主程序流程图
//主题程序：
if(fre>100000)Fre_Text(1);
else Fre_Text(0);//频率大于100 kHz，选择16分频
Fre_crol();//分频
Data_Display();显示
//准备工作：
#include
#include
long count，fre,dr_high,dr_low;//计数、频率、高、低电平量化。
int i;
float wide,sum;//占空比、累加零时变量
const int rs=8，en=9，d4=10，d5=11，d6=12，d7=13;
LiquidCrystal lcd(rs，en，d4，d5，d6，d7);//LCD显示初始化
//初始化：
lcd.begin(16，2);
pinMode(4,OUTPUT);//闸门控制信号,高电平开启
PinMode(2,INPUT);//原信号
pinMode(3,INPUT);//4级分频
pinMode(18,INPUT);//8级分频
pinMode(19,INPUT);//12级分频
pinMode(20,INPUT);//1s闸门信号
3.1 频率的获取
频率获取代码：
digitalWrite(HIGH,4);//打开闸门
while(digitalRead(20));count=0;//准备
while(!digitalRead(20));//等待高电平到来
attachInterrupt(signment，int1，FALLING);
//中断0，2管脚，上升沿触发方式
while(digitalRead(20));//等待测试结束
if(signment)fre=count*16；else fre=count;
if(count>=2)fre=fre-1；
detachInterrupt(signment);//关闭中断int0。
其流程图如图8所示。
图8 频率生成函数流程图
3.2 占空比的计算
占空比获取代码：
while(!digitalRead(20));//等待开始信号
wide=0;
for(i=0;i<20;i++){
dr_low=0,dr_high=0;//清零
while(digitalRead(signment));//等待低电平
while(!digitalRead(signment))dr_low++;//低脉宽
while(digitalRead(signment))dr_high++;//高脉宽
sum=(dr_low*1.0/(dr_low+dr_high))*100;
wide=wide+sum;
}
wide=wide/20;
digitalWrite(LOW,4);//关闭闸门
其流程图如图9所示。
图9 占空比计算流程图
4 仿真实验
通过软硬件的设计，在具体测试之前，采用Proteus软件进行功能仿真。在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试功能，同时可以观察各个变量、寄存器等的当前状态，因此在该软件仿真系统中，也必须具有这些功能；同时支持第三方的软件编译和调试环境，如ArdiunoIDE等软件。支持大量的外围芯片和存储器，具有强大的原理图绘制功能。该软件是集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件。
具体仿真测试时，采用矩形波为例进行仿真测试，仿真测试结果如图10所示。从仿真结果看，设计符合要求。
图10 仿真结果图
5 测试
根据仿真结果，对实际的频率计进行测试，同样，采用矩形波为例，测试100 Hz和1 kHz情况矩形波的占空比，测量范围从30%到接近90%，而且在测试过程中防止程序中出现测试盲点，采用跳跃式测试方式，测试数据如表1和表2所示。
表1 矩形波(100 Hz)
表2 矩形波(1 kHz)
在占空比测试的基础上，对频率计进行频率的具体测试，依次测试信号幅值为50 mV、100 mV、500 mV、1 V、1.5 V、2 V下10 Hz～100 kHz的频率测试，测试数据如表3所示。数据显示，1 kHz的频率测量几乎零误差，总体测量精度达0.000 01，占空比精度0.01。
表3 频率测试数据表
具体的测试图如图11所示。
图11 频率测量示波器显示测试图
6 结束语
本文在分析现有数字频率计存在的缺陷出发，提出一种新的数字频率计的设计方法，基于Arduino，完成了一款简易高精度数字频率计的设计。设计过程中采用了模块化和层次化的设计思路，完成了电源电路、放大与整形电路、单片机主控电路、分频电路、显示电路、闸门信号产生电路等硬件设计，运用mega2560单片机进行数据的处理和分析，软件设计后进行了仿真测试和具体的实验测试，测试结果显示，该频率计可实现50 mV～2 V的正弦波和矩形波的频率精准测量。测量范围能够达到1 Hz～10 MHz。测量精度达到0.000 1 Hz。
