频率计系统设计

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1、频率计系统设计一、概述低频信号在数字电子技术、计算机原理以及许多场合广泛使用，而频率是否合乎要求，则需要进行测量。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，也是我们经常会用到的实验仪器之一，它不仅可以测量正弦波、方波、三角波、尖脉冲信号和其他具有周期特性的信号的频率，而且还可以测量它们的周期。本系统是基于8031单片机的定时/计数功能、开关、计数电路及LED显示电路等来设计一个宽频的频率计。本系统是利用间接测量的方法进行测量的，显示的结果根据简单的计算就可以得到待测信号的频率。频

2、率测量范围达到0.015Hz－3.3554GHz。二、核心部分设计思路以8031单片机为核心，利用他内部的定时／计数器完成待测信号周期／频率的测量。单片机8031内部具有2个16位定时／计数器，定时／计数器的工作可以由编程来实现定时、计数和产生计数溢出时中断要求的功能。在定时器工作方式下，在被测时间间隔内，每来一个机器周期，计数器自动加1（使用6MHz时钟时，每2μs加1），这样以机器周期为基准可以用来测量时间间隔。在计数器工作方式下，加至外部引脚的待测信号发生从1到0的跳变时计数器加1，这样在计数闸门的

3、控制下可以用来测量待测信号的频率。外部输入在每个机器周期被采样一次，这样检测一次从1到0的跳变至少需要2个机器周期（24个振荡周期），所以最大计数速率为时钟频率的1／24（使用6MHz时钟时，最大计数速率为250kHz）。定时／计数器的工作由运行控制位TR控制，当TR置1，定时／计数器开始计数；当TR清0，停止计数。为了兼顾频率测量精度和测量反应时间的要求，把测量工作分为两种方法：使用计数方法实现频率测量和使用定时方法实现频率测量。　使用计数方法实现频率测量时，外部的待测信号为单片机定时／计数器的计数源，

4、利用软件延时程序实现计数闸门。频率计的工作过程为：定时／计数器的计数寄存器清0，运行控制位TR置1，启动定时／计数器工作；运行软件延时程序，同时定时／计数器对外部的待测信号进行计数，延时结束时TR清0，停止计数。从计数寄存器读出测量数据，由显示电路显示测量结果。　　使用定时方法实现频率测量时，外部的待测信号通过频率计的预处理电路变成宽度等于待测信号周期的方波，该方波同样加至定时／计数器的输入脚。工作高电平是否加至定时／计数器的输入脚；当判定高电平加至定时／计数器的输入脚，运行控制位TR置1，启动定时／计数

5、器对单片机的机器周期的计数，同时检测方波高电平是否结束；当判定高电平结束时TR清0，停止计数，然后从计数寄存器读出测量数据。这时读出的数据反映的是待测信号的周期，由显示电路显示测量结果。根据测量的结果查找对应的使用手册就可以知道所测信号的频率。三、频率计电路总体方案电源设计利用市电提供直流+5v电压利用+5v直流电压或电池信号预处理电路系统处理电路测量数据显示电路单片机测量系统软件系统设计信号输入信号预处理电路单片机显示电路四、系统组成和工作原理——硬件结构和电路设计频率计系统如图（一）所示：显示电路主机

6、电路频率扩展电路信号预处理信号放大电路信号输入电路稳压电源五、系统组成和工作原理——————软件结构和电路设计图（一）1、稳压电源考虑到集成电路的优点，采用三端集成稳压器W7805来提供各个芯片的稳定电压，可用于TTL/COMS电路的直流稳压电源电路。电路图如图（二）所示：图（二）2、信号输入电路该部分提供被测信号的输入接口。可以利用电缆连接，如：RCA或复合电缆、BNC电缆、S-视频、Y/C电缆、部分电缆等。3、放大电路通常被测信号一般都很微弱，需要有放大电路对信号进行放大，才能够被检测出其频率。该电路

7、对输入信号需要有比较高的放大倍数，可以由NPN型三极管组成的共发射极电路，设置好偏置电压。该放大级为零偏置放大器，当输入信号为零或者为负电压时，三极管截止，输出高电平；当输入信号为正电压时，三极管导通，输出电压随着输入电压的上升而下降。零偏置放大器可把正负交替波形变换成单向脉冲，这使得频率计既可以测量脉冲信号的频率，也可以测量正弦波信号的频率。放大器的放大能力实现了对小信号的测量，本电路可以测量幅度≥0．5V的正弦波或脉冲波待测信号。三极管应采用开关三极管以保证放大器具有良好的高频响应特性。电路如图（三）

8、所示：图（三）4、信号预处理电路和频率扩展电路该部分第一级采用带施密特触发器的反相器7414，他用于把放大器生成的单向脉冲变换成与TTL／CMOS电平相兼容的方波。第二级采用十进制同步计数器74LS160，第一级输出的方波加到74LS160的CLK，当从74LS160的TC输出可实现10分频（多个74LS160的级连可以进一步扩展测频范围）。第二级输出的方波加到他的CLK，当从他的Q0输出既可实现2分频，且其输出为对称方波，方