高精度低功耗双路频率计设计

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【摘要】本文以AT89C51单片机为核心，基于等精度测频原理，设计了一款高精度、低功耗多功能频率计，可以同时测量两路频率范围为1Hz-10MHz的信号的频率，并且具有存储和查询功能，同时提供1K和1M两路方波信号源。本文采用模块化设计，硬件模块有控制模块、放大整形模块、显示模块、存储模块、标准方波信号源模块等组成，软件模块有频率范围判断、频率测量及频率值的显示等部分组成。

【关键词】频率计；等精度测量；单片机

引言

频率计和信号源是常用的电子设备，广泛应用于电子测量、通讯和教学等领域。频率计的基本功能是测量正弦信号、方波信号及其他变化的物理量在单位时间内变化的频率，而信号源的功能则是提供各种频率的函数信号。随着数字电子技术的发展，频率测量成为一项越来越普遍的工作，测频原理和测频方法的研究正受到越来越多的关注。

早期的频率计采用测频法或测周法测量频率，通常由组合逻辑电路和时序电路等硬件电路组成，产品体积大、运行速度慢、测量精度不高，而现在市面上较为流行的频率计虽然在测频性能上有很大提高，但通常价格昂贵，同时功能相对单一，如频率测量和信号源分开，存储功能不完善等，不适合广大初学者的实际需求。

1.传统频率测量方法

1.1 测频法

由控制电路产生测频所需的满足一定时序关系的闸门信号、清零脉冲信号和锁存脉冲信号。当频率计正常工作时，宽度为1s的闸门信号作为计数器的时钟使能信号，则被测信号作为计数器的时钟输入。当闸门信号为高电平时，计数器即开始计数；当闸门信号为低电平时，计数器即停止计数，则1s的闸门时间内计数器的计数值即为被测信号的频率。同时，为了保证测评准确，在每次闸门信号开通前提供给计数器一个清零脉冲信号，让计数器处于零状态，保证计数器每次都从零开始计数。

如果计数器的输出直接译码显示，则在闸门信号为高电平期间，频率计的显示将会随着计数值的增加而不断变化，不断闪烁，人眼将难以分辨。为了防止这种现象，在计数器和译码、显示 之间增加一锁存电路。只有当计数器停止计数后（闸门信号由高变低后），才将计数值锁存并译码显示。为了防止显示闪烁，锁存信号的周期必须大于人的视觉滞留时间（约为0.1s）。

1.2 测周期法

将被测量信号经过整形后转换成方波信号，利用单片机查询两个上升沿，在此期间根据晶体振荡器产生的周期为 Tc的脉冲送计数器进行计数，设计数值为N，则得被测量信号的周期值Tx=Tc×N，然后取其倒数即为被测量信号的频率。

1.3 等精度测量法

2.具体模块电路设计

（1）根据上述系统分析，本系统设计包括以下几个模块电路：单片机微处理电路、宽带信号放大电路、信号整形电路、双路切换电路、10分频电路、显示电路、存储电路、分频驱动电路1和分频驱动电路2。总体框图如图2所示。

（2）各模块设计与功能如下：

1）单片机微处理电路

本电路的主芯片是AT89S52单片机，它是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含8kBytes的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器、ISP Flash存储单元、32位I/O口线、看门狗定时器、2个数据指针、3个16位定时器/计数器和一个6向量2级中断结构，功能强大的AT89S52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。

2）宽带信号放大电路、信号整形电路

宽带信号放大电路的功能是对待测信号进行放大处理，降低对待测信号幅度的要求。型号整形电路是对一些不是方波的待测信号转化成方波信号，便于测量。

为了简化设计，本设计让输入信号先经过一个模拟电路进行信号的放大处理，兼顾了高频和低频信号，然后用芯片74HC14充当比较器，把信号转换为0和1的数字信号。原理图如图3所示。

3）双路切换电路

为了实现同时测量两路信号，设计了双路切换电路，如图4所示。其工作原理为：当选择端信号为低电平‘0’时，芯片74HC00的 Y1口输出为高电平‘1’，Y2口输出为信号2的非，经过与非门（A3 B3 Y3）后，Y3口输出为信号2；当选择端信号为‘1’时，Y2口输出为高电平‘1’，Y1口输出为信号1的非，经过与非门（A3 B3 Y3），Y3口输出为信号1。

4）10分频电路

10分频电路如图5所示。本电路采用74HC390异步双二―五―十进制加法计数器实现分频。内有两组计数器，每组计数器由两个计数器组成，1个一位二进制计数器和1个五进制计数器，它们可以单独计数，但清零时同时清零。 二进制计数器：A时钟，QA输出 ；五进制计数器：B时钟，QD，QC，QB输出 。信号从4端口输入，每记满五个数从6端口输出一个数送入端口12，再次记满五个数时从端口10输出一个数送入端口1，记满两次时从端口3输出一个数送入15，再次记满两次时从13口输出。即每当输入端输入5*5*2*2个数时，输出端输出一个数，也就是实现了100分频。

3.实验测试结果

此外，我们对两路信号的输出频率进行了测量，其频率分别为1K和1M，没有误差。

4.结束语

本频率计的测量范围是1Hz～10MHz，自带量程自动切换，1KHZ、1MHZ标准方波信号源功能。可以同时测量两路信号的频率。具有成本低、精度高、多功能等优点。可广泛应用于实践教学、电子制作和生产流水线。具有广阔的市场潜力。

参考文献

[1]阎石.数字电子技术基础（第四版）[M].高等教育出版社.

[2]莫琳.基于FPGA的等精度频率计的设计与实现[J].现代电子技术，2004（10）：81-88.

[3]汪首坤，杜波涛，王军政.自适应等精度频率测量方法与实现[J].传感技术学报，2007，20（2）；346-347.

项目资助（编号：JG00613JX07 SZDG2013016）。