1、第 29 卷 第 4 期 吉 林 大 学 学 报 ( 信 息 科 学 版 ) Vol29 No42011 年 7 月 Journal of Jilin University ( Information Science Edition) July 2011文章编号 : 1671-5896( 2011) 04-0376-07多功能数字频率计的设计与研究收稿日期 : 2011-03-11作者简介 : 凌振宝 ( 1966 ) ， 男 ， 河北唐山人 ， 吉林大学教授 ， 硕士生导师 ， 主要从事传感器与智能仪器研究 ， ( Tel) 86-13180819300 ( E-mail) lingzhen
2、bao jlu. edu. cn。凌振宝1a， 1b， 叶剑峰1a， 孙正光2( 1. 吉林大学 a. 仪器科学与电气工程学院 ; b. 地球信息探测仪器教育部重点实验室 ， 长春 130026;2. 中国石油 吉林石化公司电石厂 ， 吉林 吉林 132000)摘要 : 为精准测量信号频率等参数 ， 设计了一种以 STC89C52RC 单片机为控制核心 、由三极管 3DG120、施密特触发器 74HC14 和分频器 74HC4040 等构成信号处理电路 ， 可以测量信号频率 、周期 、脉冲宽度等参数的多功能数字频率计 。该频率计通过 RS232 串口将单片机测量的数据传送至上位机 ， 利用上位
3、机软件集中显示所测信号的频率 、周期 、脉宽 、占空比等各参数测量值并描绘出所测信号波形 ， 给出了单元模块设计电路和配套的软件设计 ， 并提出小信号测量时抗干扰的一些办法 。实验表明 ， 系统结构简单 ， 是对电子计数器多功能和多用途的扩展型设计和研究 ， 频率测量误差低于 0. 1%， 达到设计技术指标 ， 具有良好的人机交互性 ， 其中信号频率测量范围为 1 50 MHz， 可测小信号 ， 幅值低于 0. 5 mV， 能满足实际测量要求 。关键词 : 频率计 ; 多参数测量 ; 多功能 ; 单片机 ; 小信号中图分类号 : TP368. 2 文献标识码 : ADesign and Res
4、earch of Multifunctional Digital Frequency-CounterLING Zhen-bao1a， 1b， YE Jian-feng1a， SUN Zheng-guang2( 1a. College of Instrumentation and Electrical Engineering;1b. Key Laboratory of Geo-Exploration and Instrumentation of Education Ministry， Jilin University， Changchun 130026， China;2. Calcium Car
5、bide Factory of Jilin Petrochemical Company， Petro China， Jilin 132000， China)Abstract: To achieve the purpose of precision measuring signal frequency， we design a simple multi-functiondigital frequency meter with the fuction of measuring signal frequency， cycle， pulse width and duty ratio， usingSTC
6、89C52 single-chip computer as the core controller， triode 3DG120， 74HC14 chip and 74HC4040 chip as thesignal processing circuit， and present the unit module circuit and matching software We put forward some anti-interference measures for the small-signal measurement Experiments show that the system
7、has achieved the de-sign object， including its frequency measurement range for 1 50 MHz The measuring error is less than 0. 1%and the measuring small signal amplitude can be lower than 0. 5 mV It meets the testing requirementsKey words: frequency counter; multiparameter measurement; multifunction; s
8、ingle-chip computer; small-sig-nal0 引 言随着电子工业的发展 ， 精准测量各种设备仪器中电路的频率 、电压 、电流等参数的问题已越来越重要 。在电子技术中 ， 频率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 、测量仪器和工业控制等方面都有较广泛的应用 1。传统的频率计不仅结构复杂 、稳定性差 、精度不高且成本较高 ， 而且其单一测频性的特点也已无法满足现在的实际发展要求 。因此 ， 设计一种满足性能较高 、精度较高和宽范围等要求的多功能频率计十分必要 。笔者基于系统设计的思想 ， 利用模拟电子技术 、数字电子技术
9、 、单片机技术 、电子测量技术以及计算机通信技术 ， 设计实现了多功能数字频率计 。1 设计思路笔者设计的简易数字频率计实际上是在电子计数器基础上的拓展性研究和设计 ， 它能在允许的误差范围内准确测量信号频率 、周期 、脉冲宽度及占空比 。待测信号可为正弦波信号 、锯齿波信号 、三角波信号 、方波信号 、矩形波信号和尖脉冲信号等其他各种单位时间内信号 。测量过程是 : 首先将待测信号波形变换整形成可以被单片机接受的 TTL/CMOS 兼容信号 2， 经过分频处理后 ， 再由单片机采样进行计算处理 ， 通过按键选择判断测量功能 ， 完成待测信号频率 、周期 、脉宽 、占空比的测量 ， 最后显示测
10、量值 。该仪器整体设计特色在于采用模块化思想建模 ， 既简化了硬件电路的设计 ， 又易于理解 3。2 硬件电路设计笔者设计的数字频率计以 STC89C52RC 单片机为控制核心 ， 待测信号通过三极管 3DG120、施密特触发器 74HC14 和分频器 74HC4040 等构成信号处理电路 。单片机利用定时器 /计数器预置闸门时间计图 1 系统原理框图Fig. 1 Theory frame of the system数 ， 由 8 位 LED ( Large ElectronicDisplay) 数码管显示测量值 ， max232 串口电路完成与上位机通信 ， 传输所有测量数据 。另外 ， 还
11、设置外部基准信号源对系统进行自校 。系统包含 STC89C52RC 单片机核心控制单元 ， 输入信号预处理单元 ， 功能按键单元 ， 单元显示电路和基准校正信号源 。系统原理框图如图 1 所示 。2. 1 单片机单元电路图 2 单片机单元电路Fig. 2 SCM control circuit单片机选用美国 STC 公司研制的 16 位高可靠 、低功耗的 STC89C52RC 单片机作处理器 。该单片机最高时钟频率为 80 MHz， flash 存储器存储空间为 8 kbit， 可反复擦写编程 ; 内部集成了 3 个 16 位定时器 /计数器 ; 内置看门狗电路 4， 具有一定抗干扰性 。ST
12、C 单片机具有价格低和性能高等优点 ， 在各种控制中有广泛应用 。单片机单元电路如图 2 所示 。使用单片机的 P3. 4、P3. 2 与 P3. 3 作为测量脉冲频率 、周期和脉宽的脉冲输入端 ; 考虑到方便软件计算和准确测量 ， 单片机选用 12 MHz 晶振 。为保证信号测量精度 ， 单片机可预置测量闸门时间 ，通过软件控制定时计数 ， 使在闸门时间内最大限度地测量多个信号频率 、周期 5。另外 ， 以10 MHz 基准信号源对测量过程进行校正 ， 可使用单片机的 P3. 2 作为 10 MHz 基准信号源的输773第 4 期 凌振宝 ， 等 : 多功能数字频率计的设计与研究入端 。2.
13、 2 输入信号预处理单元电路输入信号预处理单元电路由信号整形单元和信号分频单元构成 ， 作用是将待测信号自动转换为单片机可以识别的电平信号并提高信号测量范围 。系统框图如图 3 所示 。图 3 信号预处理单元原理框图Fig. 3 Theory frame of the signal preprocessing unit2. 2. 1 信号整形单元信号整形单元包括限幅器 、阻抗变换器 、宽带放大器 、跟随器和施密特触发器 。在实际测量中 ， 为防止因信号过大而造成的器件烧毁 ， 在该设计中采用二极管 IN4148 对输入信号波形进行限幅 ; 当输入信号的幅度较小时 ， 限幅器的二极管均截止 ，
14、不起限幅作用 。阻抗变换器和电压跟随器均采用低噪声和高频效应良好的运算放大器 OP37 构成同向比例放大器 ， 起阻抗变换作用 ， 以提高输入阻抗 ， 保证信号的采样质量 6。选用高频性能的三极管 3DG120 构成单级共射极放大电路 7， 对待测信号进行放大增幅 。由带有施密特触发功能的反相器 74HC14 将待测信号整形为同频率的矩形波 8。信号整形单元电路图如图 4 所示 。图 4 信号整形单元电路图Fig. 4 Signal plastic unit circuit2. 2. 2 信号分频单元由于单片机内部晶振为 12 MHz， 其理论测量最高频率为 500 kHz。考虑到提高信号测量
15、范围 ， 把测量频率范围分成 3 个量程 : 1 400 kHz、400 kHz 1 MHz 和 1 50 MHz。对 1 400 kHz 的信号进行单片机直通测量 ， 闸门时间定位 10 s， 即软件 10 倍频 9; 对 400 kHz 1MHz 和 1 50 MHz 范围的信号 ， 在硬件上采用 12 位的二进制纹波计数器 74HC4040 实现 16 分频和 128 分频 ; 分频后 ， 软件上倍频 ， 实现扩大信号测量范围 。信号分频单元电路如图 5 所示 。2. 3 10 MHz 基准信号源 、功能按键电路和显示电路10 MHz 基准信号源由反相器 74HC04 和精准 10 MH
16、z 单位晶振构成 5， 其电路图如图 6 所示 。功能按键电路由 9 个独立按键 ( 7 种功能 : 量程选择键 、频率测量键 、周期测量键 、脉宽测量键 、占空比测量键 、自校键和复位键 ) 构成 ， 选用型号 : PS-019 自锁按键开关 。该种按键结构具有一键控制两路 ( 两路同开同闭 ) 的功能 ， 本设计按键中的一路控制直通信号及分频信号通道的通断 ; 另一路873 吉 林 大 学 学 报 ( 信 息 科 学 版 ) 第 29 卷控制单片机 P1. 0、P1. 1、P1. 2、P1. 3、P1. 4、P1. 5 和 P1. 6 各 I/O 接口高低电平的变化 。图 5 信号分频单元
17、电路Fig. 5 Signal plastic unit circuit图 6 10 MHz 基准信号源电路Fig. 6 10 MHz reference signal circuit显示电路为 8 位 LED 动态显示电路 ， 测量时直接利用 CPU 对显示器动态扫描 10， 显示 8 位十进制测量值 。显示电路如图 7 所示 。图 7 8 位 LED 动态显示电路Fig. 7 Eight LED dynamic display circuit2. 4 单片机与上位机通信电路单片机与上位机以串行的方式通信 ， 采用 max232 串口通信电路 11， 其电路如图 8 所示 。图 8 max
18、232 串口电路Fig. 8 Max 232 serial interface circuit973第 4 期 凌振宝 ， 等 : 多功能数字频率计的设计与研究2. 5 小信号测量抗干扰硬件措施小信号测量时 ， 在三极管 3DG120 后加入截止频率为 1 000 MHz 的三极管 9018 组成两级放大电路 ，后级整形部分采用高速比较器 LM361。LM361 具有响应时间短 、低输入失调电压和电压范围灵活等特点 ， 抗干扰性强 。实际设计中在比较器 LM361 电路的输出端与地间并联一个 100 pF 的瓷片电容 ， 以消除信号波形的毛刺 。电路设计上正确选择模拟器件 、数字芯片的共地点
19、， 以提高抗干扰能力 8。3 软件电路设计该简易数字频率计软件程序采用模块化设计 ， 主要模块包括频率测量模块 、周期测量模块 、脉宽测图 9 主程序框图Fig. 9 Main program block diagram量模块 、占空比测量模块和上位机串行通信模块 12，主程序框图如图 9 所示 。系统初始化后 ， 主程序不断查询键盘 ， 当有开始键按下时 ， 程序转到执行对应的子程序 ; 若无键按下 ，程序默认执行测频子程序 。对频率和周期测量的基本过程 : 首先对单片机内部定时器 /计数器的计数寄存器清 0， 运行控制位 TR 置1， 启动定时器 /计数器 ; 然后运行软件延时程序 延时
20、20 ms， 延时结束时 TR 清 0， 停止计数 ; 计数过程循环 50 次 ， 而后累加 50 次计数结果构成对待测信号的 1 s 计数 ， 最后计数寄存器中的结果即为被测信号频率 2。若结果取倒测量即为被测信号周期 ， 或利用外部中断 -计数的方式测量被测信号周期 。对脉宽和占空比的测量 ， 笔者直接选取直通信号 。基本过程 : 经处理后的待测信号由 INT1 引脚输入 ， 在INT1 为低电平时 ， 设置 TR1 为 1， 一旦 INT1 为高电平时 ， 启动单片机计数 ; 当 INT1 再次变为低电平 ， 单片机停止计数 。计数寄存器中即为被测信号脉冲宽度 9;其除以被测信号周期 ，
21、 即为被测信号占空比 。4 系统测试及分析在设计完成后 ， 分别对该设计的按键选择功能 、频率测量功能 、周期测量功能 、脉宽测量功能 、占空比测量功能 、系统自校功能和上位机串行通信功能以及显示功能进行测试 。系统测试方法 : 使用型号为 TFG3080L 的 DDS ( Direct Digital Freguency Synthesizes) 函数信号发生器和型号为 GDS-1102 的数字示波器对系统总机测试和各单元测试 。系统由笔者自制的 5 V 稳压电源供电 ， 函数信号发生器输入正弦波信号 、三角波信号 、方波信号和矩形波信号 。首先选择预测信号对应的量程 ， 按下按键 ; 选择
22、测试功能 ， 按下对应的功能按键 ， 其中功能键未按下 ， 系统默认处于测频状态 。8 位 LED 动态显示测量值 ， 无信号输入时显示值为 “00000000”， 频率测量单位为 Hz; 周期测量单位为 s 或 ns; 脉宽测量单位为 s 或 ns; 占空比测量单位为 %。实验部分测量结果如表 1 所示 。经测试可知 ， 系统的信号测量范围为 1 50 MHz， 频率测量误差百分比低于 0. 1%， 周期 、脉宽和占空比的测量误差百分比低于 1%; 10 MHz 基准信号源准确对系统自校 ， 测量精度有所提高 。在小信号条件测量时 ， 通过多次测试 ， 信号幅值最小测量值可至 0. 1 mV
23、。整机与上位机通信测试 : 通信正常 ， 集中显示所测信号的频率 、周期 、脉宽 、占空比各参数测量值 ， 并可大致描绘出所测信号波形 ， 与实际情况基本吻合 。083 吉 林 大 学 学 报 ( 信 息 科 学 版 ) 第 29 卷表 1 不同信号测试结果Tab. 1 Testing result of different signal序号预设信号类型预设信号幅值 /V预设信号频率 /kHz8 位数码管示数预设信号周期 /s8 位数码管示数频率测量误差 /%1 正弦波 0. 40 0. 001 00000001 1. 0 1060100000 0. 0002 三角波 50 64 000640
24、16 15. 63 0000015 0. 0253 锯齿波 5. 00 1021. 5 10200150219 6. 67 0000007 0. 0154 方波 1. 12 1034. 0 10200400290 2. 50 0000003 0. 0735 矩形波 3. 34 1038. 4 10200840796 1. 19 0000002 0. 0956 脉冲波 4. 48 1031. 0 10301001004 1. 00 0000001 0. 1007 正弦波 5. 85 1033. 0 10303003626 3. 3 104n0000313 0. 1218 正弦波 6. 75 10
25、31. 0 10410012726 1. 0 104n0000099 0. 1279 正弦波 8. 25 1035. 0 10450067628 2. 0 105n0000002 0. 135此外 ， 通过提高小信号抗干扰能力的多次试验和修改调试 ， 笔者给出 3 种抗干扰措施 :1) 合理布线 ， 各单元连接应尽量采用短线连接 ;2) 尽量减少地线电阻 ， 合理安排接地点 ;3) 采用稳压电源供电 ， 加入去耦滤波电容 13。这些方法都可以大大降低小信号测量时的干扰性 ， 提高系统测量精度 。可见 ， 通过对系统的各项功能进行测试 ， 系统工作正常 ， 其测频的相对误差百分比基本低于0. 1
26、%， 测试效果良好 ， 满足实际测量需求 。5 结 语该简易多功能数字频率计能完成信号频率 、周期 、脉冲宽度及占空比参数的测量 ， 精度达到要求 ，有功能选择按键和量程选择按键 ， 8 位 LED 数码显示器显示十进制测量值 ， 并可与上位机进行通信 ， 通过上位机集中得到待测信号所有测量参数 。该多功能频率计结构简单 、性能较高 、成本较低 ， 是对电子计数器的多功能和多用途的扩展型设计和研究 ， 具有一定前景 。参考文献 : 1 刘竹琴 ， 白泽生 一种基于单片机的数字频率计的实现 J 现代电子技术 ， 2010 ( 1) : 90-92LIU Zhu-qin， BAI Ze-sheng
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