基于单片机的频率计设计

摘要：数字频率计是现代科研生产中不可或缺的测量仪器，它以十进制数显示被测频率，基本功能是测量正弦信号，方波信号，及其它各种单位时间内变化的物理量。 本系统采用AT89C52单片机智能控制，结合外围电子电路，设计的频率计性能稳定。在软件设计上采用了单片机的C语言设计，通过单片机内部定时/计数器同时动作，在测量频率时将测频率和测周期相结合,提高了频率计的测量准确性。 测量结果在LCD1602上输出显示，结果精确到整数位。频率计的软件设计,系统软件设计简单明了,适用于测量频率从1~99999Hz的脉冲信号。

关键词： AT89C52单片机 数字频率计 74LS74 NE555 LCD1602

一、引言

1.1 数字频率计的发展和意义

随着电子技术的飞速发展，各类分立电子元件及其所构成的相关功能单元已逐步被功能更强大、性能更稳定、使用更方便的集成芯片所取代。由集成芯片和一些外围电路构成的各种自动控制、自动测量自动显示电路遍及各种电子产品和设备已广泛应用于各个领域，更新换代速度可谓日新月异。

在电子系统广泛的应用领域中，到处看见处理离散信息的数字电路。供消费用的冰箱、电视、航空通讯系统等设计过程中都用到数字技术。数字频率计是现代通信测量设备系统中不可缺少的测量仪器，不但要求电路产生频率准确的和稳定度高的信号，而且能方便的改变频率。

与传统的测量方式相比，运用了单片机频率计有着体积更小，运算速度更快，测量范围更宽和制作成本更低的优点。由于传统的频率计中有许多功能是依靠硬件来实现的，而采用单片机测频率后，有许多以前需要用硬件才能实现的功能现在仅仅依靠软件编程来实现，而且不同的软件编程代码能够实现不同的功能，从而大大降低了制作成本。

数字频率计主要实现方法有直接式、锁相式、直接数字式和混合式四种。直

接式的优点是速度快、相位噪声低，但结构复杂、杂散多，一般只用于地面雷达中。锁相式和直接数字式都同时具有容易实现产品系列化、小型化、模块化和工程化特点，其中，锁相式更是以其容易实现相位同步的自动控制且低功耗的特点成为众多业内人士的首选，应用最为广泛。

1.2 数字频率计国内外的发展趋势

在国际上数字频率计的分类很多

按功能分类，电子计数器有通用和专用之分。通用型计数器是一种具有多种测量功能、多种用途的万能计数器，它可测量频率、周期、多周期平均值、时间间隔、累加计数、计时等。专用计数器指专门用来测量某种单一功能的计数器。

按频段分类有低速频率计数器、中速频率计数器、高速频率计数器和微波频率计数器之分。其中低速频率计数器最高计数频率小于10MHZ；中速频率计数器最高频率计数频率为10到100MHZ；高速频率计数器最高计数频率大于100MHZ；微波频率计数器的测量范围为1到80GHZ或更高。

数字电路制造工业的进步，使得系统设计人员能在更小的空间内实现更多的功能，从而提高系统的可靠性和速度。现如今，数字频率计已经不仅仅是测量信号频率的装置了，还可以测量方波的脉宽。在人们的生产生活中数字频率计也发挥着越来越重要的作用，比如有数字频率计来监控生产过程，这样可以及时发现系统运行中的异常情况，以便给人们争取时间处理。

除此之外，它还可以应用于工业控制等其他领域。在传统的电子测量仪器中，示波器在进行频率测量时测量精度较低，误差较大。频谱仪可以准确的测量频率并显示被测信号的频谱，但测量速度较慢，无法实时快速地跟踪捕捉到被测信号的频率变化。正是由于频率计能够快速准确地捕捉到被测信号频率的变化，因此频率计拥有非常广泛的应用范围。

目前，市场上的频率计厂家可分为三类：中国大陆厂家、中国台湾厂家、欧美厂家。其中欧美频率计厂家所占有的市场份额最大。

欧美频率计厂家主要有：Pendulum Instruments和Agilent科技。 现如今，对于频率计的设计目前也有专用芯片可以实现，如利用MAXIM公司的ICM7240来设计频率计，但由于这种芯片的计数频率比较低，远不能达到在一

些场合而要测量很高的频率要求，而且测量精度也受到芯片本身的限制，因此提出用AT89C52单片机设计频率计来解决这些问题，从而实现高精度、宽范围测量的频率计设计。

二、方案设计

2.1 测频方法

在频率、速度等脉冲类测量过程中，在指定的时间内，计量脉冲个数，让脉冲个数与指定的时间比较来测频率、速度。这样的采样方式叫定时采样。这种方法其实是测量单位时间的脉冲个数，这种测量脉冲的方法又叫做测频法。

2.2 系统设计思路

以单片机AT89C52单片机为核心，设计一种数字频率计，它由放大整形电路、触发电路、单片机、显示电路组成，应用单片机中的定时／计数器和中断系统等完成频率的测量。在整个设计过程中，放大整形电路是应用NE555构成施密特触发器将非矩形波转化成矩形波，这样单片机才能识别；显示电路是应用LCD1602来显示测量值；所制作的频率计可以实现1～99999Hz的测量，而且量程自动转换。

2.3 电压供给

该电路采用5Vp-p供电，偏移为2.5V。

三、电路设计

图1 74ls74构成D触发器