新型数字频率计的研究
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作者: 胡汉章
摘要：频率是电量的基本参数之一，频率的测量比较重要。测量的方法有多种，其中数字频率计具有精确高，使用方便，测量迅速，以及便于实现测量过程自动化等优点。数字频率计是近代电子技术领域的重要测量工具之一，同时也是其他许多领域广泛应用的测量仪器。这是基于计数器原理的频率计，使用液晶显示屏显示。采用AT9 0C2051芯片进行计数。在规定的基准时间内把脉冲数记录下来，换算成频率并以数字形式显示出来。
关键词：数字电子技术 频率计 测量 AT89C2051
中图分类号：TN095 文献标识码：A 文章编号：1672-3791(2012)02(a)-0010-01
1 数字频率计概述
数字频率计是一种专门对被测信号频率进行测量的电子测量仪器。工作原理是：当被测信号在特定时间段T内的周期个数为N时，则被测信号的频率f=N／T。以前，主要是扩展测量范围，提高测量精度、稳定度等方面。现在这些技术日臻完善成熟，应用现代技术可以轻松地将数字频率计的测频上限扩展到微波频段。
随着科学技术的发展，用户对数字频率计提出了新的要求。对于一般产品要求是使用操作方便，量程宽，可靠性高，价格低。而对于中高档产品，则要求有高分辨率，高精度，高稳定度，高测量速率；除通常的数字频率计所具有的功能外，还要有数据处理功能，统计分析功能，时域分析功能等等，或者包含电压测量等其他功能。这些要求有的已经实现或者部分实现，但要真正完美的实现这些目标，对于生产厂家来说，还有许多工作要做，而不是表面看来似乎发展到头了。
由于微电子技术和计算机技术的发展，频率计都在不断地进步着，灵敏度不断提高，频率范围不断扩大，功能不断地增加。在测试通讯、微波器件或产品时，通常都是较复杂的信号，如含有复杂频率成分、调制的或含有未知频率分量的、频率固定的或变化的、纯净的或叠加有干扰的等等。为了能正确地测量不同类型的信号，必须了解待测信号特性和各种频率测量仪器的性能。微波计数器一般使用类型频谱分析仪的分频或混频电路，另外还包含多个时间基准、合成器、中频放大器等。虽然所有的微波计数器都是用来完成计数任务的，但制造厂家都有各自的一套复杂的计数器的设计、使得不同型号的计数器性能和价格会有所差别，比如说一些计数器可以测量脉冲参数，并提供类似于频率分析仪的屏幕显示，对这些功能具有不同功能不同规格的众多仪器，我们应该视测试需要正确地选择，以达到最经济和最佳的应用效果。
传统的频率计通常采用组合电路和时序电路等大量的硬件电路构成，产品不但体积较大，运行速度慢，而且测量低频信号时不宜直接使用。随着科技的进步，为了较好的解决这一问题人们开始运用单片机测量频率，它是一种基于时间或频率的模数转换原理，并依赖于数字电路技术发展起来的一种显示被测信号频率的数字测量仪器。
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，测量范围更宽的优点，更重要的是它能大大的降低制作成本。由于传统的频率计中有许多功能是依靠硬件来实现的，而采用单片机测量频率之后，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就能实现，而且不同的软件编程能够实现不同的功能，这一巨大优势无疑使得制作成本大大降低。
基于单片机的数字频率计与传统的频率计有着那么明显的优势，因此，将数字频率计的设计与实现作为研究课题。通过设计频率计系统，实现信号频率的检测功能。在检测系统的设计中，熟悉以单片机为核心的控制单元，以检测电路为依托的功能单元，以人机界面为媒介的交互单元。了解频率检测的算法及软硬件的实现方式。灵活应用电子相关学科的理论知识，联系实际电路设计的具体实现方法，达到理论与实践的统一。在此过程中，加深对信号检测和信号处理的理解和认识。这对我以后的工作和学习都是有很大帮助的。
2 电路设计与制作
2.1 硬件设计
(1)整体电路(略，有想进一步了解的读者，可联系我)。
(2)单片机AT89 C2051。
AT89C2051是由ATMEL公司推出的一种小型单片机。95年出现在中国市场。其主要特点为采用Flash存贮器技术，降低了制造成本，其软件、硬件与MCS-51完全兼容，可以很快被中国广大用户接受，其程序的电可擦写特性，使得开发与试验比较容易。
AT89C2051性能参数如下：与MCS-51产品指令系统安全兼容；2k字节可重擦写闪速存储器；1000次擦写周期；2.7V～6V的工作电压范围；全静态操作：OHz～24MHz；两级加密程序存储器；128×8字节内部RAM；15个可编程I／0口线；两个16位定时／计数器；6个中断源；可编程串行UART通道；可直接驱动LED的输出端口；内置一个模拟比较器；低功耗空闲和掉电模式。
(3)1602液晶显示屏。
LCD的优点及主要参数：对于液晶显示器来说，液晶显示器以其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧的诸多优点，在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用。
LCD由两块玻璃板构成，厚约1mm，其间由包含有液晶材料的5μm均匀间隔隔开。因为液晶材料本身并不发光，所以在显示屏两边都设有作为光源的灯管，而在液晶显示屏背面有一块背光板(或称匀光板)和反光膜，背光板是由荧光物质组成的可以发射光线，其作用主要是提供均匀的背景光源。
LCD的优点是很明显的。由于通过控制是否透光来控制亮和暗，当色彩不变时，液晶也保持不变，这样就无须考虑刷新率的问题。对于画面稳定、无闪烁感的液晶显示器，刷新率不高但图像也很稳定。LCD显示器还通过液晶控制透光度的技术原理让底板整体发光，所以它做到了真正的完全平面。一些高档的数字LCD显示器采用了数字方式传输数据、显示图像，这样就不会产生由于显卡造成的色彩偏差或损失。完全没有辐射的优点，即使长时间观看LCD显示器屏幕也不会对眼睛造成很大伤害。体积小、能耗低也是CRT显示器无法比拟的。
2.2 软件设计
(1)主要程序段。
包括定时程序、延时子程序，用外部中断做为计数器，设定定时器定时50ms，测量在50ms内有多少个脉冲数，则可计算出脉冲周期。根据f=I／T，则可算出频率，然后通过LCD1602将频率值显示出来。
(2)软件流程图。
软件流程图略。
参考文献
[1]叶建波，余志强，EDA技术一Protel 99SE&EWB 5，0[M]，北京，清华大学出版社，北京交通大学出版社，2005，3
[2]胡汉章，叶香美，数字电路分析与实践[M]，北京：电子工业出版社，2009，6
[3]杨志忠，数字电子技术[M]，北京：高等教育出版社，2003，12
[4]徐新艳，数字电路[M]，北京：电子工业出版社，2007，9
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