基于单片机的频率测量电路设计

近年来,电子信息产业快速发展,促使频率信号测量在各领域中的应用越来越广泛。但是,以往应用逻辑电路和时序电路所设计的频率计一般测量频率范围较小且运行较慢。本文介绍的基于单片机的频率测量电路设计采用的方法是先将待测频率信号通过放大器进行放大处理,然后对放大后的脉冲信号进行整形、分频处理,最后通过单片机处理器测量频率信号。

1频率测量电路设计原理

频率测量电路的设计原理:首先被测频率信号通过放大器进行放大处理,接着对放大后的脉冲信号进行整形、分频处理,然后由单片机控制选择器选择分频通道,被选择的分频信号进入单片机处理器,最后利用单片机处理器依据存储的标准频率信号测量分频后的被测信号。

被测频率信号周期7x的计算公式如下:

式中,m为分频数:N为周期内通过标准频率信号的个数:70为标准信号周期,70=1/0。

则被测信号频率:

2频率测量电路的硬件设计

本次设计的基于单片机的频率测量电路硬件部分主要由单片机、放大整形电路、分频电路以及显示电路等组成。

2.1单片机选择

AT89C51是MCS-51系列中的一个典型单片机,因其性能卓越得到了广泛应用。首先,程序写入更加便捷,这是由于单片机的程序存储器采用闪速存储器:其次,芯片尺寸更小巧,整个电路体积更小,功能更为强大,且性价比更高。芯片内含8sk可反复擦写的只读存储器和256k的随机存储数据存储器、B2个I/o接口线、B个16位定时/计时器、片内振荡器及时钟电路。同时,8位单片机的总线结构可完全兼容SA4828,且直接连接。运用AT89C51单片机作为频率测量电路的控制核心,能够满足频率测量需求。单片机能够采集测量信号,选择不同的频率输入,提供标准的测量信号,测量脉冲个数,经过计算得到被测信号频率。因此,本文设计的基于单片机的频率测量电路中的单片机选用AT89C51单片机。

2.2放大整形电路

本文基于单片机的频率测量电路设计中的放大整形电路由BDG100、74LS00、2NB904等型号的高频晶体管组成。利用晶体管及其他电气元件组成放大器,将包括三角波、方波和正弦波输入频率信号进行放大处理。经放大处理后输出的波形频率信号通过触发器整形处理,输出矩形脉冲信号。放大整形电路图如图1所示。

2.3分频模块电路

基于单片机的频率测量电路设计中采用分频模块主要是为了扩大频率测量电路的测量范围,将采集到的被测频率信号进行分频处理,有利于单品机进行频率测量,同时还能降低系统测量频率产生的误差。由于本次设计所选用的单片机型号为AT89C51,因此本次频率测量电路设计采用74LS161进行16分频和JK触发器512分频设计分频电路。

2.4显示模块电路

基于单片机的频率测量电路设计中显示电路的动态显示部分采用四位共阳极数码管,为了确保能够清晰明亮地显示频率值,采用4个PNP三极管进行驱动,以便于观察测量。为了保证数码管能够显示清晰的数值,本次设计加入了74L246来驱动数码管,便于频率值的测量与调试:使用8位数码管进行频率值显示,采用共阳极数码管74LS246驱动进行动态显示。

3频率测量电路软件模块设计

3.1主程序设计

频率测量电路的系统软件设计采用模块化设计方法。整个频率测量系统主要由初始化模块、信号频率测量模块、量程转换模块和测量值显示模块等组成。系统主程序流程图如图2所示。基于单片机的频率测量电路在每次测量前或测量结束后都需要对系统进行初始化,初始化过程主要是设置单片机内部的定时/计数器、工作寄存器以及其他控制单元的工作方式。系统开始测量频率时,单片机计数寄存器清零,开始对待测频率信号计数。判断测量频率信号的有效位数是否满足要求,若不满足要求则继续测量,直至满足后将测得的频率值输出到电路显示模块:频率测量电路系统对于高频信号先进行分频处理,再用单片机对频率信号进行技术测量,对于低频信号则不需要分频处理,而是直接进行频率信号测量,不仅扩大了频率测量范围,还提高了频率测量电路的测量精度。

3.2中断服务子程序设计

当频率测量电路测量频率时,单片机中的定时器处于定时状态,设定为每次定时50ms,当中断时长为1s时单片产生标准信号,这时定时器T0变为计数模式,统计频率信号数量,由于每秒钟的开始和结束时分别启动和关闭定时器,因此定时器所统计数量与分频系数的积就为测量到的频率值。频率测量电路的中断服务子程序流程图如图3所示。

4结语

频率测量正随着科学技术的不断进步而在各个领域得到广泛应用,单片机以灵活的应用方式、强大的控制功能以及低廉的价格在多个领域中得到应用。本文基于单片机对频率测量电路进行控制,利用放大整形模块对待测信号进行处理,利用分频模块对频率信号进行分频,利用数字显示电路对频率测量结果进行显示,真正实现了频率测量的数字化、智能化、自动化。本文所设计的基于单片机的频率测量电路具有整体结构简洁、稳定性好、可靠性高、测量准确度高、测量范围广、响应速度快、使用方便灵活等特点。