文档介绍：“简易数字频率计”是第三届(1997 年) 全国
大学生电子设计竞赛试题之一。我院学生就该试
题设计获得某某赛区一等奖。原设计有许多不完
善之处,考虑到此题具有一定实用价值,特经完善
后,整理成文。
1 设计要求
1. 1 基本要求
(1) 频率测量:
a. 测量X围:信号:方波、正弦波
幅度:0. 5V～5V
频率:1Hz～10MHz
b. 测试误差≤0. 1 %
(2) 周期测量:
a. 测量X围:信号:方波、正弦波
幅度:0. 5V～5V
频率:1Hz～10MHz
b. 测试误差≤0. 1 %
(3) 脉冲宽度测量:
a. 测量X围:信号:脉冲波
幅度:0. 5V～5V
频率:1Hz～10MHz
b. 测试误差≤0. 1 %
(4) 显示:十进制数字显示,显示刷新时间1
～10 秒连续可调,对上述三种测量功能分别用不
同颜色的发光二极管指示。
(5) 具有自校功能,时标信号频率为10MHz。
(6) 自行设计并制作满足本设计任务要求的
稳压电源。
1. 2 发挥部分:
(1) 扩展频率测量X围为0. 1Hz～10MHz (信
号幅度0. 5V～5V) ,测试误差降低为0. 01 %(最
大闸门时间≤10s) 。
(2) 测量并显示周期脉冲信号(幅度0. 5V～
5V、频率1Hz～1kHz) 的占空比,占空比变化X围
为10 %～90 % ,测试误差≤0. 1 %。
(3) 在1Hz～1MHz X围内及测试误差≤0.
1 %的条件下,进行小信号的频率测量,提出并实
现抗干扰的措施。
2 设计方案选择:
方案一:选用频率计专用模块。该方案在技
术上是可行的,但竞赛规则规定不能采用频率计
专用模块。即使允许使用,对于设计要求中的某
些指标,采用专用模块来完成也是困难的。
方案二: 采用逻辑芯片和可编程器件实现。
该方案也是可行的。该方案的优点是:仅使用硬
件电路实现,调试工作量相对较小。缺点是,某些
功能实现困难,不易修改。
图1 N 周期测量原理
方案三:用单片机实现。目前单片机种类很
多,单片机功能越来越强。根据设计要求,选用
MCS - 51 系统单片机中的AT89C52 ,该芯片内
含3 个16 位定时/ 计数器,能最大限度地简化频
率计外围硬件。AT89C52 还含一个全功能串行
口、8K 程序存储器等,因此该方案具有硬件构成
简单,功能灵活,易于修改等优点。
综合上述三种方案,本设计选用方案三。
3 测量原理与分析计算
3. 1 频率、周期测量
由于频率和周期之间存在倒数关系( f = 1/
T) ,所以只要测得两者中的一个,另一个可通过
计算求得。
3. 1. 1 测量方法
本设计采用直接测周期法,而频率则通过计
算得出。但是,单片机内部计数器一个计数值为
1μs ,在f 很高时仅测量一个周期,无法保证测量
精度。为此,本设计采用在闸门时间内,最大限度
地测量多个信号的周期,从而保证信号频率、周期
测量的精度。测量原理如图1 所示。
3. 1. 2 测量方法实现
为实现上述测量方法,需要启动AT89C52 中
的3 个定时/ 计数器。其中T0 设置成16 位定时
方式,用于产生闸门时间; T2 设置成16 位定时方
式,用于记录NTx 值; T1 设置成16 位计数方式,
用于记录闸门时间内波形个数N。为了提高精
度,T0～ T2 通过软件中断方式分别扩展一字节
内部RAM ,与16 位定时/ 计数器一起构成24 位
定时/ 计数器。
AT89C52 单片机内部定时/ 计数器的响应频
率低于10MHz ,当信号输入为高频时,需先进行
分频。根据实验,当AT89C52 单片机晶振频率等
于12MHz ,输入信号频率≤500kHz 时,内部定时
/ 计数器能够进行可靠计数。当信号频率f 为
500kHz ≤f ≤10MHz 时, 需进行分频, 兼顾
500kHz 与10MHz ,取分频数为128 。
因此,当输入信号为低频( ≤500kHz) 时,不
进行分频;当输入信号为高频( ≥500kHz) 时,进
行128 分频。
3. 1. 3 信号周期计算
设T1 计数值N 为X1 , T2 计数值N T 为X2 ,
则信号周期为:
低频段(不分频) T = X2/ X1 μs (1)
高频段(128 分频) T = X2/ (128 3 X1) μs
(2)
3. 1. 4 信号频率计算
X1 , X2 含义同上,则信号周期f 为
低频段: f = ( X1/ X2) 106 Hz (