_基于单片机的数字频率计设计

2013年12月第13卷第6期廊坊师范学院学报(自然科学版)

JournalofLangfangTeachersCollege(NaturalScienceEdition)Dec.2013

Vol.13No.6

基于单片机的数字频率计设计

黄　涛,王广德,王立忠

(吉林师范大学,吉林四平136000)

【摘　要】　设计了一种数字频率计,能够测量的频率范围是1HZ～25MHZ,待测信号的波形可以是正弦波、三角波或者方波,幅度范围是0.2V～24V。该设计在高频段应用多周期同步法、在低频段应用周期法来对被测信号的频率进行测量,从而使频率计具有更高的准确度。使用分频芯片,可避免对信号进行预先评估,超出测量范围时会自动提示。【关键词】　数字频率计;单片机;分频

DesignofDigitalFrequencyMeterBasedonSCM

HUANGTao,WANGGuang-de,WANGLi-zhong

【Abstract】　Wehavedesignedadigitalfrequencymeterwhichmeasuringrangeis1HZ～25MHZ.Thesignalwaveformtobemeasuredcanbesine,triangleandsquarewaveanditsamplituderangeis0.2V～24V.Thedesigndoesnotusethetraditionalmeasurementmethodandinthehigh-bandusesthemulti-cyclesynchronizationmethod,andinthelow-bandusesthemethodofcycle.Sothemeterhasahigheraccuracy.Becauseweuseapowerfulchipweavoidthepre-assessmentofthesignal.Themeterwillautomaticallypromptifthefrequencyisoutofrang.【Keywords】　frequencymeter;SCM;frequencydividing

〔中图分类号〕N741　　　　〔文献标识码〕A　　　　〔文章编号〕1674-3229(2013)06-0039-03

　　基于单片机的数字频率计

[1]

具有测量速度快、五个功能模块:主控制模块、分频控制模块、放大和整形模块、标准频率模块和显示模块。

主控制模块:该模块的控制核心是AT89S52单片机,它的功能是完成对待测信号的计数、译码和显示,并对分频比进行有效控制。使用其自身带有的定时器 计数器对待测信号的周期或者频率进行测量。AT89S52单片机带有3个16位定时器 计数器,它们和我们所编写的程序配合,就可以完成定时、计数和中断等功能。

分频控制模块:如果使用12MHZ晶振做时钟信号,单片机外部计数的最大速率不超过500kHZ,必须进行外部分频。分频电路可以扩大单片机的频率测量范围,用一种信号完成单片机的频率测量工作,还可以减少系统的测频误差。我们使用的分频芯片是74HC4040,选择芯片是74LS138。

放大和整形模块:放大电路使被测信号的幅度增加,以便测量幅度较小的信号。整形电路把非方

准确度高、操作灵活等优点,而且测量范围较宽、成本较低,因此得到了广泛的应用。本设计的核心器件是单片机,辅以一些外围的芯片和控制电路,得到一款准确度较高的数字频率计。测量范围是1HZ～25MHZ。本设计在低频段和高频段采用不同的测频方法,并且通过自动分频芯片

[2]

的使用,达到了令

人满意的精度,同时大大降低了成本。

1　设计方法

本设计以单片机为核心,首先通过信号放大电路让被测信号幅度放大,然后进入整形电路,使得被测的正弦信号或者三角波信号变成方波,再利用单片机的计数器和定时器功能对被测信号的周期个数进行计数。如果被测信号超出本档位的测量范围,则利用编写的程序把被测信号输送到更高的档位上,并把计数的结果显示出来。本频率计设计共有

[收稿日期]　2013-11-12

[作者简介]　黄涛(1978-),男,吉林师范大学信息技术学院讲师,研究方向:自动化电气技术。

2013年12月廊坊师范学院学报(自然科学版)第13卷·第6期

波信号转化成方波信号,以减小测量误差。我们使用的放大芯片是ICL7650,整形芯片是CD4011。

标准频率模块:频率计自身需要一个准确度很高的标准频率,我们使用AT89C2051来产生这个标准频率。AT89C2051与AT89S51类似,都属于具有8051内核的非总线单片机。利用它的定时器功能就可以得到一个精度很高的标准频率。

显示模块:由于液晶显示耗电量少、体积小,利于测量人观察结果,因此本设计采用液晶显示方法,选用LCD1602显示屏。1.1　高频测量

当信号频率超过10kHZ时,采用多周期同步测量的方法测频

[3]

定时时间区分不同的闸门信号,进而得到不同的基准时间。基准时间决定了频率测量的精度,基准时间越长,其准确度越高。进行频率测量时,将闸门T0的开启时间设为t,T0开启以后,同时通过被测信号和标准频率信号。被测信号fx由T2进行计数,标准频率信号fc由T1进行计数,当控制时间结束时,闸门关闭,计数器停止计数。设计数器T1和T2的计数值分别为N和M,则被测信号频率为fx=fc×(M N)

。

。此方法可以充分发挥单片机

计数器的功能,使测量数值更加准确。多周期同步测频的原理框图如图1所示。理论上闸门的取样时间是T,被测信号同步以后共同开启闸门。闸门时间确定以后,计数器从被测信号的第一个脉冲开始进行计数。计数器A对通过闸门1的被测信号fx计数,计数值为Nx;计数器B对通过闸门2的标准信号脉冲fs计数,计数值为Ns。闸门时间结束时,最后一个被测信号的脉冲将计数器A和B关闭,计数停止。被测信号的频率可以表示为:fx=fs×(Nx Ns)。

1.2　低频测量

当被测信号小于10kHZ时,应采用周期测频法。周期测频法经常用于对低频信号的测量

[6]

。设

被测信号的一个周期为Tx,在Tx时间内记录标准频率fc的周期个数M,那么fc=M Tx,也就可以得到被测信号的频率fx=fc M。周期测频法只需使用单片机的T2定时器,而T2定时器可以捕获被测信号下降沿到来之前的时间,于是在被测信号频率的两个下降沿之间的时间即为一个周期,频率就是此周期的倒数。周期测频法可以对小于65535HZ的信号进行测量,其原理如图3所示

。

多周期同步测量的误差主要来自Ns

[4]

。如果

被测信号的频率小于10kHZ、被测信号的信噪比小于40dB,那么测量结果的触发误差较大,这构成了误差的主要组成部分。如果被测信号的频率大于10kHZ,测量误差主要由两项组成,即分辨率误差和标准频率信号误差,它们相差不大。因此,多周期同步测量在低频的误差较大

[5]

。

2　仿真测试

高频测量仿真测试结果如表1。可以看出,被测信号的频率越大,测量误差越小。如果信号处于

图2是高频测量时的原理方框图。我们先使用单片机的定时器和编写的程序进行分频,由不同的

第13卷·第6期黄涛等:基于单片机的数字频率计设计2013年12月

甚低频,由于本设计应用的是多周期测量法,标准频率误差而导致的±1误差不能忽略,被测信号处于低频时,±1误差影响更大,是构成测量误差的主要部分。这与理论上的分析相吻合。从表中我们还可以看到,虽然误差值随着被测信号频率而增大,但是随机误差却减小,高频测量其误差可以小于十万分之一,完全可以满足一般测量的需要。

表1　测量值与实际值对照表

测量值94824713244587657532499878119999654

实际值105024713274592357543299892220000069

差值-1-20-3-6-108-141-415

误差百分比

10%4%0%0.23%0.102%0.0018%0.0014%0.0002%

相对简单,这就大大节约了频率计的成本,提高了性价比。

[参考文献]

[1]刘竹琴,白泽生.一种基于单片机的数字频率计设计

[J].现代电子技术,2010,(1):90-96.

[2]朱雪枝,王学伟.自动分频法宽量程频率测量技术及实

现[J].北京化工大学学报,2004,31(1):91-93.[3]HongQunhuan,SongShile,XiaoZhihong.DesignofDigital

FrequencyMeterBasedonSynchronousFrequencyMea-surementMethod[C].20102ndInternationalConferenceonComputerTechnologyandDevelopment,2010:97-100.

[4]梁文海,麦文,张健,等.一种高精度频率测量的研究与

实现[J].四川师范大学学报(自然科学版),2008,31(3):376-378.

[5]张晶.数字测频方法的研究[J].吉林广播电视大学学

报,2005,(4):88-91.

[6]AndriaNemat.AHighResolutionDigitalFrequencyMeter

forLowFrequencies[J].IEEETransactionsonInstrumen-tationandMeasurement,1990,39(4):376-378.[7]黄盛霖,沈聪辉,赵晓娟,等.利用最佳分频实现高精度

频率测量[J].兵工自动化,2011,30(9):68-71.

综上,此频率计证明多周期同步测量法对高频信号有很好的测量能力,对低频信号测量结果不甚理想。因为周期法对低频信号的测量有很好的效果,可以对其缺点进行弥补

[7]

。智能分频芯片可以

将单片机的测量带宽提高1000倍,而外围电路又

(上接38页)

荷转移情况的分析,进一步了解CO分子的吸附情

况,具体结果列于表2。由计算可知,铝和硅掺杂之后,CO分子的C和O上分别有电荷转移,也说明CO分子在掺杂体系上是较好的化学吸附,通过前面的计算也可以验证,掺杂碳纳米管与CO分子电荷的明显转移大于纯碳纳米管与CO分子之间的电荷转移,综上,掺杂的碳纳米管对于CO分子更敏感,适合做CO传感器材料。

[参考文献]

[1]A.G.Rinzler,J.H.Hafner,P.Nikolaev,P.Nordlander,D.

T.Colbert,R.E.Smalley,L.Lou,S.G.Kim,andD.Tománek.Unravelingnanotubes:fieldemissionfromanatomicwire[J].Science,1995,269:1550-1553.

[2]A.C.Dillon,K.M.Jones,T.A.Bekkedahl,C.H.Kiang,D.

S.Bethune,andM.J.Heben.Storageofhydrogeninsingle-walledcarbonnanotubes[J].Nature,1997,386:377-379.[3]J.Kong,N.R.Franklin,C.W.Zhou,M.G.Chapline,S.

Peng,K.J.Cho,H.J.Dai.NanotubeMolecularWiresasChemicalSensors[J].Science,2000,287:622-625.[4]P.G.Collins,K.Bradley,M.Ishigami,andA.Zettl.Ex-tremeoxygensensitivityofelectronicpropertiesofcarbonnanotubes[J].Science,2000,287:1801-1804.

[5]J.P.Perdew,Y.Wang.Accurateandsimpleanalyticrepre-sentationoftheelectron-gascorrelationenergy[J].Phys.Rev.B,1992,45:13244-13249.

[6]J.P.Perdew,K.Burke,M.Ernzerhof.GeneralizedGradient

ApproximationMadeSimple[J].Phys.Rev.Lett,1996,77:3865-3868.

3　结论

通过密度泛函理论计算,我们探讨了铝与硅掺杂

碳纳米管对CO气体分子气体传感特性。研究结果表明:铝原子掺杂并吸附CO分子后,掺杂碳纳米管的电学性质有了明显的改变,与纯碳纳米管相比,吸附能力明显增强。其费米面附近的电子态密度改变也明显大于纯的碳纳米管及硅掺杂碳纳米管,因此,铝掺杂碳纳米管有可能成为下一代CO气体传感材料,此研究为实验合成提供了有意义的理论指导。