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数字频率计设计

卢嘉滨

西南大学工程技术学院，重庆400716

摘要：

本文提出设计数字频率计的多种方案，重点介绍以单片机AT89C52为控制核心，实现频率测量的数字频率计设计。

测频的基本原理是采用在高频段直接测频法，在低频段测周期法的设计思路；硬件部分由放大电路、波形变换和整形电路、闸门时基控制电路、分频电路、单片机和数据显示电路组成；软件部分由信号频率测量模块、周期测量模块、定时器中断服务模块、数据显示模块等功能模块实现。

应用单片机的控制功能和数学运算能力，实现计数功能和频率、周期的换算。

设计的频率计测量范围能够达到2HZ～50MHZ，满足所要求的频率范围，测量精度较高，平均相对误差仅为0.3401%。

另外，文章对频率测量过程中数据误差的来源进行了探讨，提出了减小误差的措施。

最后，文章还对频率计的设计方案提出了可扩展的地方。

关键词：

数字频率计；单片机AT89C52；频率测量；周期测量；误差

Thedesignofdigitalfrequencymeter

LUJiabin

CollegeofEngineeringandTechnology,SouthwestUniversity,Chongqing400716,China

Abstract：

Thisarticleproposesmanykindsofplansdesigndigitalfrequencymeter,highlightingthedesigntakingmonolithicintegratedcircuitAT89C52asthecontrolcore,therealizationfrequencymeasurementofdigitalfrequencymeter.

Selecteddesignideaswhichdirectlymeasuringfrequencylawinthehigh-bandandtestingcyclelawinthelow-band;Thehardwarepartiallyiscomposedbyenlargedcircuit、theprofiletransformationandthereshapingcircuit、thegateatthebasecontrolcircuits、sub-frequencycircuits、themicrocontrollerandthedatadisplayelectriccircuit;Thesoftwaredesignisachievedbymanyfunctionalmodules,suchasthesignalfrequencymeasurementmodule、thesignalcyclesurveymodule、timerinterruptionofservicemodule、thedatadisplaymoduleandsoon.Achievingcountingfunctionandconversionbetweencycleandfrequencybyusingcontrolfunctionsandmathematicsoperationabilityofmicrocontroller.Likethesethesurveyscopecanachieve2HZ~50MHZ,bothcanreachthefrequencyrangerequirementsdesigned,themeasuringaccuracyhigh,andcancausetheaveragerelativemeasuringerrortobeonly0.3401%.Inaddition,thearticlehascarriedonthediscussiontothedataerrororiginintheprocesssurveyedthefrequency,andproposedthemeasuresreducethemeasuringerror.Finally,thearticlealsoraisethefrequencyofthedesignoptionswillbefurtherimproved.

KeyWords：

Digitalfrequencymeter;MicrocontrollerAT89C52;Frequencymeasurements;Measure-

mentcycle;error

文献综述

科学技术发展到今天，数字化产品以其独特的优越性而越来越受到广大消费者的认可。

频率计作为一件很普通的电子器件，广泛应用于科研机构、学校、实验室、企业生产车间等场所。

数字频率计具有体积小、携带方便；功能完善、测量精度高等优点，因此在以后的时间里，必将有着更加广阔的发展空间和应用价值。

研究数字频率计的设计和开发，有助于频率计功能的不断完善、性价比的提高和实用性的加强。

下面将从测量频率的方法、现阶段频率计的种类和频率计的发展趋势三方面进行论述。

一、频率测量方法概述

主要有以下几类：

（如图1-1所示）

图1-1频率测量方法

Fig.1-1Methodoffrequencymeasurement

直读法又称无源网络频率特性测量法；比较法是将被测频率信号与已知频率信号相比较，通过观、听比较结果，获得被测信号的频率；电容充放电式计数法是利用电子电路控制电容器充放电的次数，再用电磁式仪表测量充放电电流的大小，从而测出被测信号的频率值；电子计数法是根据频率定义进行测量的一种方法，利用电子计数器显示的单位时间内通过被测信号的周期个数来实现频率的测量[1]。

由于电子计数式测量频率具有精度高、测量范围宽、显示醒目直观、测量迅速以及便于实现测量过程自动化等一系列优点而被广泛使用。

电子计数式测量频率有以下几种方法：

（1）脉冲数定时测频法（M法）：

记录在确定时间里待测信号的脉冲个数。

其特点是：

测量方法简单；测量精度与待测信号频率和门控时间有关，当待测信号频率较低时，误差较大。

（2）脉冲周期测频法（T法）：

在待测信号的一个周期里记录标准频率信号变化次数。

此法低频检测时精度高，但高频检测时误差较大。

（3）脉冲数倍频测频法（AM法）：

此法是为克服M法在低频测量时精度不高的缺陷发展起来的。

通过A倍频，把待测信号频率放大A倍，以提高测量精度。

其特点是待测信号脉冲间隔减小，间隔误差降低；低频测量精度比M法高A倍，但控制电路较复杂。

（4）脉冲数分频测频法（AT法）：

此法是为了提高T法高频测量时的精度而发展起来的。

由于T法测量时要求待测信号的周期不能太短，所以可通过A分频使待测信号的周期扩大A倍。

其特点是高频测量精度比T法高A倍；但控制电路也较复杂。

（5）脉冲平均周期测频法（M/T法）：

此法是在闸门时间内，同时用两个计数器分别记录待测信号的脉冲数M和标准信号的脉冲数。

其特点是在测高频时精度较高；但在测低频时精度较低。

（6）多周期同步测频法：

是由闸门时间与同步门控时间共同控制计数器计数的一种测量方法，待测信号频率与M/T法相同。

此法的优点是：

闸门时间与被测信号同步，消除了对被测信号计数产生的±1个字误差，测量精度大大提高，且测量精度与待测信号的频率无关，实现了在整个测量频段等精度测量。

二、数字频率计种类

现在市面上通常使用的数字频率计主要有以下几种：

1、采用中小规模数字集成电路，用机械式功能转换开关换挡，完成测量频率、周期以及脉宽等功能的计数器。

此种数字频率计是较早时期的电子产品，到现在中小规模集成电路应用技术不断完善时，它的应用也不断得到加强。

但很明显，此种数字频率计已处于淘汰阶段，由于其自身不具备智能化、自动化，完全借助于机械示的操作，对一些智能的频率计功能已无法完成，所以，现在使用这种数字频率计的已经很少。

2、采用现场可编程门阵列（CPLD/FPGA）作为系统控制核心制成的数字频率计。

它通过EDA技术和硬件描述语言（VHDL）对进行数字频率计的设计。

这种技术是在近几年才发展起来的新技术，具有很大的发展空间和应用价值。

3、采用单片机为系统控制核心的数字频率计。

这种数字频率计具有非常明显的优势：

体积小，所用芯片少，精度高，测量范围广，易于扩展功能，智能化、自动化强度高，便于控制。

因此采用单片机技术设计数字器件已逐渐成为主流。

三、数字频率计的发展趋势

科学技术发展越快，产品的更新周期就越短，数字化电子产品更是如此。

数字频率计作为一种电子测量仪器，其发展趋势主要向以下三个方向发展。

发展趋势之一：

从以前的模拟器件设计数字频率计逐步转变为数字芯片设计数字频率计。

这样的转变使得频率计的设计更趋于自动化、智能化。

现在的电子产品主要是采用EDA技术和单片机技术作为核心控制系统，辅以外围电路，制成高端数字化产品。

频率计正是朝着这个方向发展。

EDA技术是以计算机为工具，在EDA软件平台上，根据硬件描述语言VHDL完成设计文件，自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合及优化布局线、仿真，直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作[2]。

FPGA/CPLD是高密度现场可编程逻辑芯片，能够将大量的逻辑功能集成于一个单个器件中，它提供的门数从几百门到上百万门，可以满足不同的需要。

数字频率计借助于EDA工具FPGA/CPLD进行开发有很大的优越性：

（1）编程方式简便、先进。

（2）高速。

（3）高可靠性。

（4）开发工具和设计语言标准化，开发周期短。

（5）功能强大，应用广阔。

这样的优点使得数字频率计的设计变得简单。

但同时，采用EDA技术开发频率计存在一个缺点：

对电路进行逻辑综合优化时，最终设计和原始设计在逻辑实现和时延方面有一定的误差，这样使得频率计的测量精度受到很大影响。

因此EDA技术还需要不断地改进，以解决在测量时存在的问题，适应电子产品测量的要求。

但肯定的是，用EDA技术进行电子产品的设计、开发是有很大发展前景的。

单片机技术设计数字频率计是现阶段电子产品开发时采用的主要技术，它在今后的一段时间内仍然占据着主导地位。

单片机是单片微型计算机的简称，将把微型计算机的三大组成部分（CPU+存储器+I/O接口）和一些实时控制所需要的功能器件集成在该芯片上，来实现计算机的部分功能[3]。

在实际应用中大都嵌入到控制系统中，所以单片机系统也叫嵌入式系统。

现在国内单片机应用中最常见的有Intel公司的MCS系列，Microchip公司的PIC16系列，台湾凌阳公司的SPCE061X系列。

单片机设计数字频率计有着很多的优点：

（1）集成度高。

（2）系统结构简单，性价比高。

（3）系统扩展方便。

（4）抗干扰性能强，可靠性高。

（5）处理能力强，速度快。

（6）开发方便。

（7）兼容性好。

[4]另外，单片机内部强大的运算能力和控制功能，使得开发像频率计这样对测量精度要求很高的电子仪器时，变得更加的有效。

内部丰富的存储资源，能够满足频率计设计的各种不同需要。

可以说，单片机的进步指导着频率计的发展方向。

发展趋势之二：

在功能上从以前的仅实现单一频率测量扩展到还能测量周期、占空比、脉宽等各种参数指标。

数字技术的不断成熟，使得在一块很小的板子上制作大规模、多功能的电子产品变得非常的容易、方便。

当然，功能的实现是以强大的软件技术做后盾的。

以后的频率计等测量仪器将在编程语言的不断优化下，数字技术的不断完善下实现更多的功能。

发展趋势三：

频率计虚拟化。

随着计算机的普及，利用计算机做显示和操作平台的虚拟仪表，也越来越被广泛运用。

目前主流的开发平台是NI公司的LabVIEW。

电子测量技术的发展，单片机技术和大规模可编程数字逻辑电路的普及，为频率测量的结构简单化提供了技术基础，使得频率测量正朝着高灵敏度、高可靠性、全集成化和智能化方向发展。

智能化芯片的运用，使得同一硬件具有多种不同的功能，为多样化、系列化带来了便利。

以后数字化智能频率计将在满足测量要求和实现功能的同时，也为操作频率计的人，带来使用上的方便和舒适。

总之，数字频率计正向着更高的精确度，更低的测量误差，更多的功能实现，更少的价格，更人性化，更智能化方向发展。

1引言

随着科学技术的发展和人民物质生活的提高，人们对科技产品的要求已不仅仅停留在模拟器件时代，数字化的电子产品越来越受到欢迎。

频率计作为比较常用和实用的电子测量仪器，广泛应用于科研机构、学校、家庭等场合，因此它的重要性和普遍性勿庸质疑。

数字频率计具有体积小、携带方便；功能完善、测量精度高等优点，因此在以后的时间里，必将有着更加广阔的发展空间和应用价值。

比如：

将数字频率计稍作改进，就可制成既可测频率，又能测周期、占空比、脉宽等功能的多用途数字测量仪器。

将数字频率计和其他电子测量仪器结合起来，制成各种智能仪器仪表，应用于航空航天等科研场所，对各种频率参数进行计量；应用在高端电子产品上，对其中的频率参数进行测量；应用在机械器件上，对机器振动产生的噪声频率进行监控；等等。

研究数字频率计的设计和开发，有助于频率计功能的不断改进、性价比的提高和实用性的加强。

以前的频率计大多采用TTL数字电路设计而成，其电路复杂、耗电多、体积大、成本高。

随后大规模专用IC（集成电路）出现，如ICM7216，ICM7226频率计专用IC，使得频率计开发设计变得简单，但由于价格较高，因此利用IC设计数字频率计的较少[5]。

现在，单片机技术发展非常迅速，采用单片机来实现数字频率计的开发设计，实现频率的测量，不但测量准确，精度高，而且误差也很小。

在这里，我们将介绍一种简单、实用的基于单片机AT89C52的数字频率计的设计和制作。

2数字频率计设计方案极其论证

2.1设计方案

方案一：

系统测频部分采用中小规模数字集成电路，完成频率计测量功能。

原理框图如图2-1所示。

该方案的特点是中小规模集成电路应用技术成熟，能可靠的完成频率计的基本功能，但由于系统功能要求较高，所以电路过于复杂。

图2-1方案一的原理框图

Fig.2-1PrincipleframediagramofschemeNo.1

方案二：

采用专用频率计模块实现频率测量。

由频率计专用模块（如ICM7216）构成，它的特点是结构简单，量程可以自动切换[6]。

原理框图如图2-2所示。

ICM7216内部带有放大整形电路，可以直接输入模拟信号。

外部振荡部分选用一块高精度晶振体和两个低温系数电容构成10MHz并联振荡电路。

用转换开关选择10ms、0.1s、1s和10s四种闸门时间，同时量程自动切换。

缓冲电路是为了让频率计采用记忆方式，即计数过程中不显示数据，待计数过程结束后，显示测频结果，并将此显示结果保持到下一次计数结果，显示时间不小于1s，小数点位置随量程自动移动。

芯片驱动电路输出15mA～35mA的峰值电流，所以在5V电源下可直接点亮LED。

图2-2方案二的原理框图

Fig.2-2PrincipleframediagramofschemeNo.2

方案三：

系统采用可编程逻辑器件（PLD，如ATV2500）作为信号处理及系统控制核心，完成包括计数、门控、显示等一系列工作。

该方案利用了PLD的可编程和大规模集成的特点，使电路大为简化，但测量精度不够高，导致系统性价比降低，系统功能扩展受到限制。

原理框图如图2-3所示。

图2-3方案三的原理框图

Fig.2-3PrincipleframediagramofschemeNo.3

方案四：

系统采用单片机AT89C52作为控制核心，门控信号由AT89C52内部的计数/定时器产生。

由于单片机的计数频率上限较低（24MHZ晶振时约为500KHZ），所以需对高频被测信号进行硬件预分频处理，AT89C52则完成运算、控制功能。

由于使用了单片机，使整个系统具有极为灵活的可编程性，能方便地对系统进行功能扩展与改进。

原理框图如图2-4所示。

图2-4方案四的原理框图

Fig.2-4PrincipleframediagramofschemeNo.4

以上方案均需使用小信号放大、整形通道电路来提高系统的测量精度和灵敏度。

2.2方案论证及选用依据

方案二的设计思路是非常简单的，电路也不复杂，但由于它采用的是专用频率计模块设计,不符合我们的设计要求，所以就不予考虑了。

方案一采用的是中小规模数字集成电路，虽然能够实现频率的测量，但其功能扩展不易实现，智能化程度也不高，不符合目前数字频率计的发展要求。

方案三在设计方法、硬件电路的实现上都要比方案一和方案二简洁、新颖，而且采用可编程逻辑器件（PLD）的EDA技术也是现代电子产品开发的方向，应用这种技术来实现数字频率计的设计是可行的。

但从系统设计的要求上看，要能实现测量频率是2HZ～50MHZ的范围，以频率下限2HZ为例，要达到误差小于0.1％的目的，必须显示3位的有效数字，而使用直接测频的方法，要达到达个测量精度，需要主门连续开启100秒。

由此可见，采用方案三，用直接测频方法对低频测量是不现实的，而采用带有运算器的单片机则可以很容易地解决这个问题，实现设计要求。

也就是采用先测信号的周期，然后再通过单片机求周期的倒数的方法，从而得到我们所需要的低频信号的测量精度。

另外由于使用了功能较强的AT89C52芯片，使本系统可以通过对软件改进而扩展功能，提高测量精度，因此我们选用方案四，采用单片机作为核心控制系统的具体实施方案。

3频率测量原理

3.1测量频率的原理

在测量过程中用了两个定时/计数器T0、T1。

其中T0设置为计数方式，T1设置为定时方式。

单片机外接24MHz晶振，它的机器周期为0.5μs，T0的初值为0，产生一次溢出中断时记录的脉冲个数为65535。

为了测量准确和程序编写的方便，我们可把定时器T1设置成方式1，那么定时器的最大定时时间为32.768ms，它的初值定为TH1=D8H，TL1=EFH，这样每5ms产生一次溢出中断，可通过软件设置一个变量，当该变量从0增加至200时所定的时间刚好就是1秒。

为了扩大频率测量范围，可将双四位二进制计数器与单片机的T0口级连，测量的频率将可达

。

当定时结束时从单片机读出的总脉冲个数即是待测信号的频率值。

该频率计硬件较为简单，但需要注意的是单片机所测量的电平信号必须是直流TTL信号，所以在测量前必须把非TTL信号转化为TTL信号[7]。

考虑到所测量的频率范围很大,能够测量从2HZ～50MHZ之间的任意一个频率；又加之需尽可能地提高测量频率的准确度和精确度，所以对频率的测量通过分段，采用不同的方法实现。

设置一个频率分界值

，在

的高频段采用直接测频法，在

的低频段采用测周期法。

现简单介绍一下直接测频法和测周期法的基本原理以及为什么在频率较高时采用直接测频法，而在频率较低时采用测周期法，然后通过频率与周期之间的关系用软件实现的方法得到待测频率的原因。

直接测频法是在单位时间内对被测信号脉冲进行计数，周期测量法是在被测信号周期内对基准时钟脉冲进行计数。

两者都要解决闸门定时时间和对脉冲信号的计数问题[8]。

3.2直接测频法

频率测量的基本原理如图3-1所示。

图3-1直接测频法的原理框图

Fig.3-1Principleframediagramofmeasuringfrequencylawdirectly

图中晶体振荡提供了测量的时间基准，分频后通过控制电路去开启与关闭时间闸门。

闸门开启时，经放大整形后的测量信号进入计数器进行计数，闸门关闭时，停止计数。

若闸门开放时间为

，计数值为

，则被测频率

。

用这种频率测量原理，对于频率较低的被测信号来说，存在着测量实时性与测量精度之间的矛盾，由图可以看出分频系数

（T

为参考晶振的周期）本身是没有误差的（若电路工作正常的话），测量误差主要由以下两种因素产生：

计数误差和参考晶体振荡的误差，即

（3-1）

为减少第二项误差，可采用高精度的参考晶体振荡器。

对于第一项误差

为计数绝对误差，其最大可达

，属于不可避免的系统误差，若要减少

，就必须增大

，在被测信号频率较低的情况下，则要求闸门开放时间要很长（即在

不变的条件下，要求分频系数大）。

若要求达到一定的测量精度，则需要闸门开放时间更大，对数字频率计而言，就失去了使用价值。

例如若被测频率为10Hz，精度要求为

0.01％，则最短闸门开放时间为

　（3-2）

（3-3）

像这样的测量周期是不可能接受的，因此直接频率测量法不适用于低频信号的测量。

3.3测周期法

由于单片机具有程序运算功能，且频率为周期的倒数，这样使得频率测量与周期测量可以互通。

周期测量的基本原理如图3-2所示。

图3-2测周期法的原理框图

Fig.3-2Principleframediagramoftestingcyclelaw

它与测频基本结构是相同的，只是把晶体振荡产生的基准信号与被测信号的位置互换了一下。

由此得

（3-4）

计数值

与被测信号的周期成正比，

反映了

个信号周期的平均值。

利用周期测量法在一定信号频率范围内，通过调节分频系数

，可以较好地解决测量精度与实时性的矛盾。

由上式可得

（3-5）

第二项误差取决于晶体稳定度，第一项为计数器的量化误差，故该项主要取决于

的大小。

在平均周期测量法中，

值的大小与测量时间的长短成正比，可根据测量精度要求而定。

假定

的允许误差为

％，则

，在

选定时测量时间=

，若

μs，则测量时间＝0.2s。

对于不同范围的被测周期信号，可以通过调节分频系数

的大小，达到相近的测量精度，也就有相近的测量时间，且不会太长。

对于高频信号,周期法就需要很大分频系数

，增加了硬件设计及软件编程的复杂性，不宜采用。

4系统设计

4.1功能实现

本次采用单片机设计的数字频率计主要实现以下几个功能：

（1）用8位数码管显示HZ、KHZ、MHZ三个频段的待测脉冲信号的频率值。

（2）频率测量范围从2HZ～50MHZ。

（3）能测量正弦波，三角波，锯齿波等多种波形信号的频率值。

4.2硬件部分设计

频率计由单片机89C52、信号预处理电路、测量数据显示电路所组成，其中信号预处理电路包括待测信号放大、波形变换、波形整形和分频电路。

系统硬件实现框图如图4-1所示。

4.2.1信号预处理电路

4.2.1.1放大电路

采用两个NPN三极管（9018）级联方式实现对待测信号的放大,降低对待测信号的幅度要求。

如图4-2所示。

图4-1系统硬件实现框图

Fig.4-1Framediagramofsystemhardwarerealization

前一个三极管采用共集电极方式，主要是为了获得比较宽的频带，并不具有实质性的放大作用。

后一个三极管采用共发射极方式，主要作用是放大非常弱的输入脉冲信号，一般通过它的放大后，其电压可以达到3伏以上。

为了消除不必要的噪声信号干扰，在两级放大电路中都可以加入滤波电容，保证待测信号的稳定。

图4-2放大电路

Fig.4-2Magnifycircuit

4.2.1.2波形变换和整形电路

采用数字芯片（74HC00）实现把正弦波、三角波、方波等各种波形的正负交替的信号波形变换成可被单片机接受的TTL/CMOS