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一种基于单片机的数字频率计的实现

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龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn 一种基于单片机的数字频率计的实现 作者：刘竹琴 白泽生 来源：《现代电子技术》2010年第01期

摘 要:设计一种以单片机AT89C51为核心的数字频率计,介绍了单片机、数字译码和显示单元的组成及工作原理。测量时,将被测输入信号送给单片机,通过程序控制计数,结果送译码器74LS145与移位寄存器74LS164,驱动LED数码管显示频率值。通过测量结果对比,分析了测量误差的来源,提出了减小误差应采取的措施。频率计具有电路结构简单、成本低、测量方便、精度较高等特点,适合测量低频信号。

关键词:单片机;数字频率计;测频;译码 中图分类号:TP274文献标识码:A 文章编号:1004-373X(2010)01-090-03 Design of Digital Frequency Meter Based on Single Chip Mircrocomputer LIU Zhuqin,BAI Zesheng (Physics and Electronic Information College,Yan′an,716000,China) Abstract:A digital frequency meter based on AT89C51 is designed,the composition and working principle of single chip microcompter,digital decoder and display unit are introduced.The measured input signal should be given to single chip microcomputer,through the counting process control,the results are sent to decoder 74 LS145 and shift register 74 LS164,driven LED digital display of frequency value.By comparing results,the source of measurement error is analysed,the measures are proposed for reducing errors.The frequency meter has characteristics of simple circuit,low cost,easy measurement and high precision,it fits for measuring low-frequency signals.

Keywords:single chip microcomputer;digital frequency meter;frequency measurement;decoder 在电子技术中,频率是最基本的参数之一,并且与许多电参量的测量方案、测量结果都有十分密切的关系,因此频率计在教学、科研、测量仪器、工业控制等方面都有较广泛的应用。测量频率的方法有多种,其中电子计数测量频率具有精度高、使用方便、测量迅速,以及便于实现测量自动化等优点[1],是频率测量的重要手段之一。本设计就是用计数的方法,以单片机AT89C51为控制核心,充分利用其软硬件资源,设计并制作了频率计的计数、显示部分。

1 测频设计原理 龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn 频率计测频原理方框图如图1所示。被测输入信号通过脉冲形成电路进行放大与整形(可由放大器与门电路组成),然后送到单片机入口,单片机计数脉冲的输入个数,计数结果经LED数码管显示,从而得到被测信号频率。

图1 频率计原理方框图 2 元器件选择与使用 2.1 单片机 选择单片机AT89C51[2]是因为有编程灵活、易调试的特点,而且AT89C51的引脚较多,利于电路的扩展。它集成了CPU,RAM,ROM,定时器/计数器和多功能I/O口等一台计算机所需的基本功能部件,有40个引脚,32个外部双向输入/输出(I/O)端口,同时内含两个外中断口,两个16位可编程定时计数器,两个全双工串行通信口。其片内集成了4 KB的FLASH PEROM用来存放应用程序,这个FLASH程序存储器除允许一般的编程器离线编程外,还允许在应用系统中实现在线编程,并且还提供了对程序进行三级加密保护的功能。AT89C51的另一个特点是工作速度更高,晶振频率可高达24 MHz,一个机器周期仅为500 ms,比MCS-51系列单片机快了一倍。

其具体使用方法如下: P1.0口与寄存器74LS164的A,B端口连接,串行输出待显示的数据。 P1.1口接移位寄存器74LS164的CLK(第8引脚),输出时钟信号。 P1.5,P1.6,P1.7口分别与译码器74LS145的A,B,C端口连接,输出位控制信号。 P3.5口(即T1)输入脉冲信号。 XTAL1与XTAL2管脚接两个30 pF电容和12 MHz晶振构成时钟电路。 RST管脚接1 kΩ,10 kΩ电阻,20 μF电容及复位开关构成开关复位电路。 2.2 显示译码单元 显示部分采用译码器74LS145与移位寄存器74LS164[3],主要是考虑了性价比的原因。比如,此处可以采用HARRIS公司推出的ICM7218B共阴极数码管驱动芯片,它集BCD译码器、多路扫描器、段驱动和位驱动于一体[4]。用此驱动可使电路相对简单,显示部分的软件设计也比较简单,但由于其价位相对较高,故采用译码器74LS145与移位寄存器74LS164。

2.3 数字显示单元 龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn LED显示器采用动态显示方式[5]。显示时将所有位的段选线相应的并联在一起,由一个8位I/O口控制,形成段选线的多路复用。译码器74LS145是位选部分,移位寄存器74LS164是段选部分。由于各位的段选线并联,段选码的输出对各位来说都是相同的。同一时刻,如果各位选线都处于选通状态的话,六位的LED将显示相同的字符。要各位LDE能够显示出与本位相应的显示字符,就须采用扫描显示方式。即在同一时刻,只让某一位的位选线处于选通状态,而其他各位的位选线处于关闭状态,同时,段选线上输出相应位要显示字型码,这样同一时刻,六位LED中只有选通的那一位显示出字符,而其他五位则是熄灭的。而在下一时刻,只让下一位的位选线处于选通状态,而其他各位的位选线处于关闭状态,在段选线上输出相应位将要显示字符的字符码。

这样循环下去,就可以使各位显示出将要显示的字符,虽然这些字符是在不同时刻出现的,而且同一时刻,只有一位显示,其他各位熄灭,但由于人眼有视觉残留现象,只要每位显示间隔足够短,则可造成多位同时亮的效果。

3 硬件设计 电路原理图如图2所示。以单片机AT89C51为核心,由译码器74LS145与移位寄存器74LS164实现串行输出显示,其中74LS164输出段选信号,74LS145输出位选信号。

具体连接方法是将P1.0口与寄存器74LS164的A,B端口连接,P1.1口与移位寄存器74LS164的CLK连接,P1.5,P1.6,P1.7口分别与译码器74LS145的A,B,C端口连接,在P3.5口(即T1)输入脉冲信号[6]。

电路实现的关键是设法取得准确的一秒定时,并让计数器只计数一秒,这样计数结果则为频率值。实现的方法是利用单片机内的16位定时/计数器,用定时器/计数器0作为定时器,实现一秒定时;用定时器/计数器1作为计数器,对输入的脉冲进行计数。当按动开关时,开始定时及计数,时间到停止计数,计数值通过LED显示,得到频率值。再次按动开关又进行定时计数。

图2 电路原理图 4 软件设计 4.1 实现一秒定时 采用12 MHz的晶体振荡器的情况下,一秒的定时已超过了定时器可提供的最大定时值。为了实现一秒的定时,采用定时和计数相结合的方法实现[7]。选用定时/计数器T0作定时器,工作于方式1产生50 ms的定时,再用软件计数方式对它计数20次,就可得到一秒的定时。

4.2 计数部分 龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn 将定时器/计数器的方式寄存器TMOD,用软件赋初值51H,即01010001B。这时定时器/计数器1采用工作方式1,方式选择位C/T设为1,即设T1为16位计数器。定时器/计数器0采用工作方式1,C/T设为0,即设T0为16位定时器。

计算计数初值:设计数初值为X,本设计采用12 MHz的晶振。机器周期=12×(1/晶振频率)=12×(1/12×106)=1×10-6,(216-X)×1×10-6=50×10-3,X=15 536。

所以计数初值为15 536,用十六进制表示为3CB0H。 当定时器/计数器T1设定为计数方式时,其计数脉冲是来源T1端口的外部事件。当T1端口上出现由“1”(高电平)到“0”(低电平)的负跳变脉冲时,计数器则加1计数。计算机是在每个机器周期的S5P2状态时采样T1端口,当前一个机器周期采样为1且后一个机器周期采样为0时,计数器加1计数。计算机需用两个机器周期来识别1次计数,因而最大计数速率为振荡频率的1/24。在采用12 MHz晶振的情况下,单片机最大计数速度为0.5 MHz即500 kHz。

另外,此处对外部事件计数脉冲的占空比(即脉冲的持续宽度)无特殊要求,但必须保证所给出的高电平在其改变之前至少被采样1次,即至少保持1个完整的机器周期。由此可见,从T1口输入脉冲信号,T1可实现对脉冲个数的计数。

4.3 程序流程图[8] 计时采用定时T0中断完成,其余状态循环调用显示子程序。主程序流程如图3所示。 5 测量结果及误差分析 5.1 测量结果 给电路加+5 V电压,输入信号,按动开关,即可得到频率值。将所测频率值与示波器测量结果比较,如表1所示。

图3 主程序流程图 表1 测量误差对照表 测量频率范围 /kHz误差范围 /Hz 0.01~1小于1 1~9小于2 10~99小于20

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基于AT89C51的频率计设计

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基于AT89C51的频率计设计第一章绪论；随着微电子技术和计算机技术的迅速发展，特别是单片；采用不同的测量原理，可以设计出不同结构的频率测量；通常能对频率和时间两种以上功能测量的数字化测量仪；1.1频率计的概述；数字频率计是计算机、通讯设备、音频视频等科研生产；本数字频率计将采用定时、计数的方法测量频率，采用；1.2频率计的主要性能；1.2.1.测试功能；它表明数字频率计所具备的全部测试第一章绪论随着微电子技术和计算机技术的迅速发展，特别是单片微机的出现和发展，使传统的电子测量仪器在原理、功能、精度及自动化水平等方面都发生了巨大的变化，形成一种完全突破传统概念的新一代测量仪器。

频率计广泛采用了高速集成电路和大规模集成电路，使仪器在小型化、耗电、可靠性等方面都发生了重大的变化。

对石英晶体振荡器，各种信号发生器，各种倍频和分频电路输出信号的频率需要测量；广播，电视，电讯，微电子技术等现代化的科学领域，更需要进行频率测量。

采用不同的测量原理，可以设计出不同结构的频率测量仪器，所以按测量原理来分，数字频率计可分为谐振式，比较式和计数式三类；按选用电路形式来分，它又可以分为模拟式和数字式两类。

通常能对频率和时间两种以上功能测量的数字化测量仪器，称为数字频率计，有时也称为通用计数器或电子计数器。

当前较多采用的是数字频率计。

计数式频率计是基于时间或频率的A/D转换原理，并依赖于数字计数技术发展起来的一类新型数字仪器。

与其他电子仪器一样，数字频率计也经历了电子管，晶体管和集成电路等几个阶段，其性能日臻完善，功能不断扩大，若配以适当的插件或传感器，还可以对多种电量和非电量进行测量。

1.1 频率计的概述数字频率计是计算机、通讯设备、音频视频等科研生产领域不可缺少的测量仪器。

它是一种用十进制数字显示被测信号频率的数字测量仪器。

它的基本功能是测量正弦信号，方波信号及其他各种单位时间内变化的物理量。

在进行模拟、数字电路的设计、安装、调试过程中，由于其使用十进制数显示，测量迅速，精确度高，显示直观，经常要用到频率计。

基于单片机C语言的数字频率计设计

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第２ ８卷 第 ２期 ２０ ０ ７年 ０ ６月
内 蒙 古 农 业 大 学 学 报
Ｊ ｕ ｎ ｌ ｆ ｎ ｅ Ｍｏ ｇ ｌ Ａ ｃ ｌ ｒ Ｕｎｖ ｒｉ ｏ ｒ ａ ｏ Ｉ ｎ ｒ ｎ ｏｉ ａ ｕｔ ａ ｕｌ ｉｅ ｓ ｙ ｔ
１２ ９
内 蒙 古 农 业 大 学 学 报
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２ ２ 显示驱 动芯 片 Ｍ Ｘ ２ ９简介 ． Ａ ７１
１Ｔ 可 以计 算 出输 人信 号 的实际频 率 。 ／，
ＭＡ ７ １ 美 国美 信公 司生产 的 ８位 动态 Ｌ Ｄ Ｘ ２９是 Ｅ 以下时通 过测 频 的方法 测试 输 入信 号频 率 的程 显示 驱动器 ， Ｘ ２９和 单 片机 通信 时采 用 串行 通 序 段 ＭＡ ７ １ 信 的通信方 式 ， 中 的 Ｌ Ａ Ｃ Ｋ， Ｉ 为通信 时 用 其 Ｏ Ｄ，Ｌ ＤＮ 到 的 ３条信 号 线 。Ｍ Ｘ ２９可 以通过 级连 使 用 ， Ａ ７１ 扩 展 Ｌ Ｄ显示 器 的显 示 驱 动 位 数 。在 本 系 统 中考 虑 Ｅ 格式 位 Ｘ Ｘ Ｘ在测 量 频 率 时根 据 频率 的变化 移 动 Ｘ Ｘ
图 ２ 信号处理
Ｆｉ ２ Ｓｉ ａ ｇ． ｇ ｌ Ａｐｐ ｏ ｃ ｎ ｒａ ｈ
＋ 收稿 日期 ： ２ ０ —１ — ０ ０６ ０ ３
作者简介 ： 张杰 （９２ ）男 （ １７一 ， 蒙古族 ）讲 师 ， ， ， 硕士 主要从事计算机硬件教学与研究
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输入信号首先 经过二极 管 限幅后 送人 Ｑ 进 行放 ｌ 大， 放大后 的信号经集成 电路进行整型后变换为标准 的
数字信号， 送人单片机的内部定日／ 寸计数器的输入端。 其中二极管 Ｄ 的作用是对输入信号进行限幅， １ 避免输 入信号过大 而烧坏后 面的整 型电路 ； 大 电路 Ｑ１ 放 的作 用是 可以对输入的小信号 进行放 大。总 之信号处 理电 路的作用是可以扩展频率计所能测量的信号的范围。
51单片机1602LCD显示数字频率计

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51单片机1602LCD显示数字频率计;硬件连接：1602lcd 显示000000hz 短接p1.4--p3.5则显示0000010hz;LCD1602显示在不增加外部计数硬件的情况下，本试验软件可测最高频率达到460KHz;工作原理：;1S 钟内对输入脉冲所计数的次数则为频率值。

;16位二进制加法计数器的最大计数值为65535。

;设置定时器0 工作在定时方式1，定时1S。

;设置定时器1 工作在计数方式1，对输入脉冲进行计数，溢出产生中断。

;将定时器1中断定义为优先。

在中断处理程序里对中断次数进行计数。

1S到后，;将中断次数和计数器里的计数值取出进行综合数据处理，处理后的数据送LCD1602显示? ;信号来源：;1、软件里对P1.4定时取反，形成输出脉冲,接到P3.5 可自测。

; 显示结果：P1.4 →P3.5 显示：000010 （Hz）;如果有条件的话，可使用专用设备（信号发生器和频率计）进行校正。

;频率计的程序;包含：外部中断设置，中断服务程序，定时程序，定时服务程序;以及数据处理，显示，包括三位十进制数转化为四位BCD码，;------------------------------------------------------------BEEP BIT P3.7LCD_RS BIT P2.0LCD_RW BIT P2.1LCD_EN BIT P2.2LCD_X EQU 3FH ;LCD 地址变量TIMER_H EQU 30H ;定时器高位字节单元TIMER_L EQU 31H ;定时器低位字节单元TIMCOUNT EQU 32H ;时间中断数INT_G EQU 35H ;中断计数缓冲单元高地址INT_H EQU 34H ;中断计数缓冲单元中地址INT_L EQU 33H ;中断计数缓冲单元低地址T_S EQU 36H ;数据显示低位T_M EQU 37H ;数据显示中位T_H EQU 38H ;数据显示高位T_G EQU 39H ;数据显示最高位;----------------------------------------------------------ORG 0000HJMP MAIN ;主程序开始ORG 000BHJMP TIMER_INT ;定时器T0中断服务程序ORG 001BH ;定时器T1中断服务程序JMP TIMER1ORG 0030H;----------------------------------------------------------MAIN:MOV SP,#60H ;设置SP指针LCALL PRO_SET ;初始化CALL SET_LCDLCALL TIM_T0;-----------------------------------------------------------;LCD1602是慢速显示器件，故100MS显示一次。

基于单片机制作高频DDS信号发生器

基于单片机制作高频DDS信号发生器

基于单片机制作高频DDS信号发生器在现代科学和电子技术的不断进步下，数字信号发生器（DDS）已经成为了频率控制和生成的重要工具。

尤其是高频DDS信号发生器，其在雷达、通信、电子对抗等领域的应用具有不可替代的地位。

本文将介绍如何使用单片机制作高频DDS信号发生器。

一、DDS技术概述DDS，全称Direct Digital Synthesizer，即直接数字合成器，其工作原理是将数字信号通过数模转换器（DAC）转换成模拟信号。

DDS 技术的核心是相位累加器，它将输入的数字信号的相位进行累加，从而生成新的频率信号。

二、硬件设计1、单片机选择：本设计选用具有高速、低功耗、高集成度的单片机，如STM32F4系列。

2、频率控制字：通过设置频率控制字（FCW），可以控制输出信号的频率。

频率控制字由一个16位二进制数组成，表示了相位累加的步进大小。

3、存储器：使用Flash存储器存储预设的频率波形数据。

4、DAC：数模转换器将存储器中的波形数据转换成模拟信号。

本设计选用具有高分辨率、低噪声、低失真的DAC芯片。

5、滤波器：使用LC滤波器对DAC转换后的信号进行滤波，以得到更加纯净的信号。

三、软件设计1、相位累加器：相位累加器是DDS的核心，它将输入的数字信号的相位进行累加，从而生成新的频率信号。

2、波形查找表：将所需的波形数据存储在波形查找表中，通过查表的方式获取波形数据，可以大大提高DDS的工作效率。

3、控制逻辑：控制逻辑负责处理输入的控制信号，如启动、停止、频率控制字等。

4、通信接口：为了方便远程控制，需要设计通信接口，如SPI、I2C 等。

四、性能测试1、频率范围：测试DDS输出信号的频率范围是否满足设计要求。

2、频率分辨率：测试DDS输出信号的频率分辨率是否达到设计要求。

3、信号质量：测试DDS输出信号的信噪比、失真度等指标是否满足设计要求。

4、稳定性：长时间运行后，测试DDS输出信号的频率是否稳定。

5、远程控制：测试通信接口是否正常工作，可以通过计算机或者其他控制器对DDS进行远程控制。