第1 頁共27 頁 1 概述 頻率計(jì)的基本原理是用一個(gè)頻率穩(wěn)定度高的頻率源作為基準(zhǔn)時(shí)鐘，對(duì)比測(cè) 量其他信號(hào)的頻率。通常情況下計(jì)算每秒內(nèi)待測(cè)信號(hào)的脈沖個(gè)數(shù)，此時(shí)我們稱 閘門時(shí)間為1 秒。閘門時(shí)間也可以大于或小于一秒。閘門時(shí)間越長(zhǎng)，得到的頻 率值就越準(zhǔn)確，但閘門時(shí)間越長(zhǎng)則沒測(cè)一次頻率的間隔就越長(zhǎng)。閘門時(shí)間越 短，測(cè)的頻率值刷新就越快，但測(cè)得的頻率精度就受影響本文。數(shù)字頻率計(jì)是 用數(shù)字顯示被測(cè)信號(hào)頻率的儀器，被測(cè)信號(hào)可以是正弦波，方波或其它周期性 變化的信號(hào)。因此，數(shù)字頻率計(jì)是一種應(yīng)用很廣泛的儀器 電子系統(tǒng)非常廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)，到處可見到處理離散信息的數(shù)字電路。 數(shù)字電路制造工業(yè)的進(jìn)步，使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能在更小的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)更多的功 能，從而提高系統(tǒng)可靠性和速度。 集成電路的類型很多，從大的方面可以分為模擬電路和數(shù)字集成電路2 大 類。數(shù)字集成電路廣泛用于計(jì)算機(jī)、控制與測(cè)量系統(tǒng)，以及其它電子設(shè)備中。 一般說來，數(shù)字系統(tǒng)中運(yùn)行的電信號(hào)，其大小往往并不改變，但在實(shí)踐分布上 卻有著嚴(yán)格的要求，這是數(shù)字電路的一個(gè)特點(diǎn)。 2 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)： 2.1 原理設(shè)計(jì) 本頻率計(jì)的設(shè)計(jì)以AT89S52 單片機(jī)為核心，利用它內(nèi)部的定時(shí)/計(jì)數(shù)器完成 待測(cè)信號(hào)周期/頻率的測(cè)量。單片機(jī)AT89S52 內(nèi)部具有2 個(gè)16 位定時(shí)/計(jì)數(shù)器, 定時(shí)/計(jì)數(shù)器的工作可以由編程來實(shí)現(xiàn)定時(shí)、計(jì)數(shù)和產(chǎn)生計(jì)數(shù)溢出中斷要求的功 能。在構(gòu)成為定時(shí)器時(shí),每個(gè)機(jī)器周期加1 (使用12MHz 時(shí)鐘時(shí),每1us 加1)，這 樣以機(jī)器周期為基準(zhǔn)可以用來測(cè)量時(shí)間間隔。在構(gòu)成為計(jì)數(shù)器時(shí),在相應(yīng)的外部 引腳發(fā)生從1 到0 的跳變時(shí)計(jì)數(shù)器加1，這樣在計(jì)數(shù)閘門的控制下可以用來測(cè) 量待測(cè)信號(hào)的頻率。外部輸入每個(gè)機(jī)器周期被采樣一次，這樣檢測(cè)一次從1 到0 的跳變至少需要2 個(gè)機(jī)器周期(24 個(gè)振蕩周期) ,所以最大計(jì)數(shù)速率為時(shí)鐘頻率 的1/24 (使用12MHz 時(shí)鐘時(shí),最大計(jì)數(shù)速率為500 KHz) 。定時(shí)/計(jì)數(shù)器的工作由 相應(yīng)的運(yùn)行控制位TR 控制,當(dāng)TR 置1 ,定時(shí)/計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù);當(dāng)TR 清0 ,停止計(jì) 數(shù)。設(shè)計(jì)綜合考慮了頻率測(cè)量精度和測(cè)量反應(yīng)時(shí)間的要求。例如當(dāng)要求頻率測(cè) 量結(jié)果為4 位有效數(shù)字,這時(shí)如果待測(cè)信號(hào)的頻率為1Hz ，則計(jì)數(shù)閘門寬度必須 大于1000s。為了兼顧頻率測(cè)量精度和測(cè)量反應(yīng)時(shí)間的要求,把測(cè)量工作分為兩 種方法。當(dāng)待測(cè)信號(hào)的頻率大于等于2Hz 時(shí),定時(shí)/ 計(jì)數(shù)器構(gòu)成為計(jì)數(shù)器，以機(jī) 器周期為基準(zhǔn),由軟件產(chǎn)生計(jì)數(shù)閘門,這時(shí)要滿足頻率測(cè)量結(jié)果為4 位有效數(shù)字, 則計(jì)數(shù)閘門寬度大于1s 即可。當(dāng)待測(cè)信號(hào)的頻率小于2Hz 時(shí)，定時(shí)/ 計(jì)數(shù)器構(gòu) 成為定時(shí)器,由頻率計(jì)的予處理電路把待測(cè)信號(hào)變成方波,方波寬度等于待測(cè)信號(hào) 的周期。用方波作計(jì)數(shù)閘門，完全滿足測(cè)量精度的要求。 頻率計(jì)的量程自動(dòng)切換在使用計(jì)數(shù)方法實(shí)現(xiàn)頻率測(cè)量時(shí)，這時(shí)外部的待測(cè)信 號(hào)為定時(shí)/ 計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)源，利用定時(shí)器實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)閘門。頻率計(jì)的工作過程為： 首先定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0 的計(jì)數(shù)寄存器設(shè)置一定的值,運(yùn)行控制位TR0 置1，啟動(dòng)定 時(shí)/ 計(jì)數(shù)器0；利用定時(shí)器0 來控制1S 的定時(shí)，同時(shí)定時(shí)/計(jì)數(shù)器T1 對(duì)外部的待 第2 頁共27 頁 測(cè)信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù),定時(shí)結(jié)束時(shí)TR1 清0 ,停止計(jì)數(shù)；最后從計(jì)數(shù)寄存器讀出測(cè)量數(shù) 據(jù)，在完成數(shù)據(jù)處理后，由顯示電路顯示測(cè)量結(jié)果。在使用定時(shí)方法實(shí)現(xiàn)頻率測(cè) 量時(shí),這時(shí)外部的待測(cè)信號(hào)通過頻率計(jì)的予處理電路變成寬度等于待測(cè)信號(hào)周期 的方波，該方波同樣加至定時(shí)/ 計(jì)數(shù)器1 的輸入腳。這時(shí)頻率計(jì)的工作過程為: 首先定時(shí)/ 計(jì)數(shù)器1 的計(jì)數(shù)寄存器清0 ,然后檢測(cè)到方波的第二個(gè)下降沿是否加 至定時(shí)/ 計(jì)數(shù)器的輸入腳；當(dāng)判定下降沿加至定時(shí)/計(jì)數(shù)器的輸入腳，運(yùn)行控制位 TR0 置1 ,啟動(dòng)定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0 對(duì)單片機(jī)的機(jī)器周期的計(jì)數(shù)，同時(shí)檢測(cè)方波的第 三個(gè)下降沿；當(dāng)判定檢測(cè)到第三個(gè)下降沿時(shí)TR0 清0 ，停止計(jì)數(shù)，然后從計(jì)數(shù) 寄存器T0 讀出測(cè)量數(shù)據(jù)，在完成數(shù)據(jù)處理后，由顯示電路顯示測(cè)量結(jié)果。測(cè)量 結(jié)果的顯示格式采用科學(xué)計(jì)數(shù)法,即有效數(shù)字乘以10 為底的冪。這里設(shè)計(jì)的頻 率計(jì)用4 位數(shù)碼管顯示測(cè)量結(jié)果。 定時(shí)方法實(shí)現(xiàn)頻率測(cè)量。定時(shí)方法測(cè)量的是待測(cè)信號(hào)的周期，這種方法只設(shè) 一種量程，測(cè)量結(jié)果通過浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算模塊將信號(hào)周期轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的頻率值,再將 結(jié)果送去顯示。這樣無論采用何種方式，只要完成一次測(cè)量即可,頻率計(jì)自動(dòng)開 始下一個(gè)測(cè)量循環(huán),因此該頻率計(jì)具有連續(xù)測(cè)量的功能,同時(shí)實(shí)現(xiàn)量程的自動(dòng)轉(zhuǎn) 換。 數(shù)字頻率計(jì)的硬件框圖如圖2.1 所示。 由此可以看出該頻率計(jì)主要由八部分組成，分別是： (1)待測(cè)信號(hào)的放大整形電路 因?yàn)閿?shù)字頻率計(jì)的測(cè)量范圍為峰值電壓在一定電壓范圍內(nèi)的頻率發(fā)生頻率 發(fā)生周期性變化的信號(hào)，因待測(cè)信號(hào)的不規(guī)則，不能直接送入FP