数字式频率计的设计

摘 要：物理学教材中的频率测量采用的是间接测量方式。为解决这一问题，使学生能直观测量频率，本论文基于单片机设计频率计。首先，我们把待测信号经过放大整形，然后把信号送入单片机的定时计数器里进行计数，获的频率值，最后把测得的频率数值送入显示电路里进行显示。本文从频率计的原理出发，介绍了基于单片机的频率计的设计方案，选择了实现系统的各种电路元器件。

关键词：中学物理 频率 测量 数字式

频率计的设计原理实际上是测量单位时间内的周期数。这种方法免去了实测以前的预测，同时节省了划分频率的时间，克服了原来高频率采用测频模式而低频段采用测周期模式的测量方法存在换挡速度慢的缺点。通常情况下计算每秒内待测信号的脉冲个数，此时我们称闸门时间为1秒。闸门时间也可以大于或小于1秒。闸门时间越长，得到的频率值就越准确，但闸门时间越长则每测一次频率的时间隔就越长。闸门时间越短，测得频率值刷新据越快，但测得的频率精度就受影响。主要介绍了数据处理电路、分频电路和显示电路的构成原理，以及其测频的基本方法。

一、设计方案

本方案主要以单片机为核心，利用单片机的计数定时功能来实现频率的计数并且利用单片机的动态扫描把测出的数据送到数字显示电路显示。其实原理框图如图1所示：

图1

本方案主要以单片机为核心，被测信号先进入信号放大电路进行放大，再被送到波形整形电路整形，把被测得正弦波或者三角波为方波。利用单片机的计数器和定时器的功能对被测信号进行计数。编写相应的程序可以使单片机自动调节测量的量程，并把测出的频率数据送到显示电路显示。

二、电路设计

本频率计的设计以AT89S51单片机为核心，利用它内部的定时/计数器完成待测信号周期/频率的测量，单片机AT89S51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，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的跳变计数器加1，这样在计数闸门的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用一次，这样查测一次从1到0的跳变至少需要2个机器周期，所以最大计数速率为时钟频率1/24。定时/计数器的工作有运行控制位TR控制，当TR置，定时/计数器开始计数：当TR清0 ，停止计数。

（一）数据处理。AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS8位微控制器，可在4K字节的系统内编程的闪存存储器。该设备是采用Atmel的高密度非易失性存储器技术和符合工业标准的80C51指令集合引脚。芯片上的Flash程序存储器课重新编程的系统或常规非易失性内存编程。通过结合通用8位中央处理器的系统内课编程闪存的单芯片，AT89S51是一个功能强大的微控制器提供了高度灵活的和具有成本效益的解决办法，可在许多嵌入式控制中应用。空闲模式停止的CPU，同时允许的RAM，定时器/计数器，串行接口和中断系统继续运作。在掉电模式保存RAM内容，可停止振荡器，停止振荡器，停止所有其他芯片的功能，直到下一个外部中断或硬件复位。

（二）分频电路。本次设计采用的是脉冲定时测频法，由于考虑到单片机的定时计数器得计数能力有限，无法对过高频进行测量，所以我们对待测信号进行了分频，这样能提高测量频率的范围，还能相应的提高频率测量的精度。所以我们需要把待测信号进行分频。

（三）显示电路。我们测量的频率最终要显示出来八段LED 数码管显示器由8 个发光二极管组成。基中7 个长条形的发光管排列成“日”字形，另一个圆点形的发光管在数码管显示器的右下角作为显示小数点用，它能显示各种数字及部份英文字母。LED 数码管显示器有两种形式：一种是8 个发光二极管的阳极都连在一起的，称之为共阳极LED 数码管显示器；另一种是8 个发光二极管的阴极都连在一起的，称之为共阴极LED 数码管显示器。如下图所示。共阴和共阳结构的LED 数码管显示器各笔划段名和安排位置是相同的。当二极管导通时，对应的笔划段发亮，由发亮的笔划段组合而显示的各种字符。8个笔划段 h g f e d c b a 对应于一个字节（8 位）的D7、D6、D5、D4、D3、D2、D1、D0，于是用8 位二进制码就能表示欲显示字符的字形代码。在单片机应用系统中，数码管显示器显示常用两种办法：静态显示和动态扫描显示。所谓静态显示，就是每一个数码管显示器都要占用单独的具有锁存功能的I/O 接口用于笔划段字形代码。这样单片机只要把要显示的字形代码发送到接口电路，就不用管它了，直到要显示新的数据时，再发送新的字形码，因此，使用这种办法单片机中CPU 的开销小，能供给单独锁存的I/O 接口电路很多。在单片机系统中动态扫描显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一。其接口电路是把所有显示器的8 个笔划段a-h 同名端连在一起，而每一个显示器的公共极COM 是各自独立地受I/O 线控制。CPU 向字段输出口送出字形码时，所有显示器接收到相同的字形码，但究竟是那个显示器亮，则取决于COM 端，而这一端是由I/O 控制的，所以我们就能自行决定何时显示哪一位了。而所谓动态扫描就是指我们采用分时的办法，轮流控制各个显示器的COM 端，使各个显示器轮流点亮。在轮流点亮扫描过程中，每位显示器的点亮时间是极为短暂的（约1ms），但由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位显示器并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感。

三、结论

本文设计的频率计，可以直观的测量频率的大小，激发起学生物理学习的潜在意识，使课堂学习氛围得到提高.改变目前物理这一方面的教学水平和质量。

参考文献：

[1] 李雷等编.《集成电路应用实验》.国防工业出版社2003

[2] 李雷等编.《电子技术应用实验教程》.电子科技大学出版社，2006

[3] 朱红等编.《电子技术综合实验》.电子科技大学出版社，2005

[4] 冯熙昌编.《电子电话机集成电路手册》.人民邮电出版社，1996

[5] 李华等编.《MCS-51 系列单片机实用接口技术》.北京航空航天大学出版社，1993

[6] 徐惠民，《安德宁等编.单片微型计算机原理接口及应用》.北京邮电大学出版社，2000