基于51單片機(jī)的高頻頻率計(jì)的設(shè)計(jì)

摘要 基于51單片機(jī)設(shè)計(jì)了一款測(cè)試范圍在1 Hz～10 MHz的頻率計(jì)。系統(tǒng)通過(guò)峰值有效電路和有效值電路將正弦渡、方波和三角波轉(zhuǎn)化為直流信號(hào)送入單片機(jī)，通過(guò)編寫(xiě)相應(yīng)的程序計(jì)算出其有效值和峰峰值的比，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)的目的，并由顯示電路顯示測(cè)量結(jié)果。該系統(tǒng)電路簡(jiǎn)潔、軟件編寫(xiě)簡(jiǎn)單、調(diào)試難度低。

目前在頻率測(cè)量領(lǐng)域中，對(duì)于高頻率信號(hào)高精度測(cè)量大都使用ARM、FPGA等高速處理器加專用計(jì)數(shù)芯片來(lái)完成。但這種方法程序編寫(xiě)復(fù)雜，并且其處理器外圍電路復(fù)雜，這增加了其調(diào)試難度，降低了可操作性。

文中設(shè)計(jì)的高頻信號(hào)頻率計(jì)，除數(shù)據(jù)處理和顯示交由單片機(jī)負(fù)責(zé)外，測(cè)頻核心電路用經(jīng)檢測(cè)的模擬電路完成，該高頻頻率計(jì)電路簡(jiǎn)潔，軟件編寫(xiě)簡(jiǎn)單，降低了調(diào)試難度的同時(shí)增強(qiáng)了其操作性。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)以STC80C51為核心，設(shè)計(jì)了一款測(cè)試范圍在1 Hz～10 MHz的頻率計(jì)。該系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)思想是通過(guò)峰值有效電路和有效值電路將正弦波、方波、三角波轉(zhuǎn)化為直流信號(hào)，送入單片機(jī)，通過(guò)編寫(xiě)相應(yīng)的程序計(jì)算出其有效值和峰峰值比，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)的目的，最后通過(guò)顯示電路顯示測(cè)量結(jié)果。

系統(tǒng)分為：緩沖器、峰值檢測(cè)電路、有效值檢測(cè)電路、分頻電路、模式轉(zhuǎn)換、最小系統(tǒng)和顯示電路?？傮w設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

輸入信號(hào)i經(jīng)過(guò)緩沖器處理分為3路輸出，依次作為峰值檢測(cè)電路、有效值檢測(cè)電路和分頻器電路的輸入信號(hào)。經(jīng)峰值檢測(cè)電路和有效值電路處理后，輸出直流信號(hào)O1、O2，經(jīng)分頻器分頻后輸出方波信號(hào)O3。O1和O2經(jīng)過(guò)A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換后輸入單片機(jī)，在單片機(jī)中進(jìn)行處理比較峰值和有效值的關(guān)系從而達(dá)到自動(dòng)確定信號(hào)類型的功能。O3經(jīng)計(jì)數(shù)器輸入單片機(jī)以計(jì)算出信號(hào)頻率。處理完成后通過(guò)顯示模塊LCD1602顯示出信號(hào)的頻率、峰峰值及波形。

1.1 系統(tǒng)電路

1.1.1 緩沖器

緩沖由4個(gè)電壓跟隨器構(gòu)成，如圖2所示。電壓跟隨器如圖3所示，它的作用是使輸出電壓與輸入電壓值相等，即電壓跟隨器的電壓放大倍數(shù)恒小于且接近1。電壓跟隨器由運(yùn)放構(gòu)成。對(duì)于10 MHz及其以上頻率的信號(hào)需要考慮運(yùn)放壓擺率對(duì)信號(hào)的影響。壓擺率反映了運(yùn)算放大器輸出電壓的轉(zhuǎn)換速率，它是運(yùn)算放大器在速度方面的指標(biāo)。

壓擺率的數(shù)學(xué)定義

SR=2×Po×f×Vpk (1)

式中，f為最大頻率，一般認(rèn)為是帶寬;Vpk是放大輸出信號(hào)的最大峰值?？梢?jiàn)壓擺率越高運(yùn)放輸出電壓的轉(zhuǎn)換速率快。對(duì)于10 MHz的信號(hào)來(lái)說(shuō)，必須要選擇壓擺率高的運(yùn)放。常用的Op07壓擺率為3.5，壓擺率過(guò)低，當(dāng)信號(hào)頻率超過(guò)100 Hz信號(hào)即發(fā)生嚴(yán)重失真。故系統(tǒng)選用LM7171，一種高壓擺率運(yùn)放，壓擺率為4 100 V/μs，足夠滿足10 MHZ的信號(hào)轉(zhuǎn)換速度。

如圖2所示，2、3、4號(hào)電壓跟隨器以1號(hào)電壓跟隨器的輸出信號(hào)為輸入信號(hào)。即由LM7171構(gòu)成的高頻緩沖器，信號(hào)通過(guò)1號(hào)電壓跟隨器輸出信號(hào)與輸入信號(hào)的比為1：1，即1號(hào)電壓跟隨器的輸出信號(hào)等于輸入信號(hào)。同理O1、O2、O3與輸入信號(hào)i相等，保證了峰值檢測(cè)電路、有效值電路及分頻電路的輸入信號(hào)的可靠性。

1.1.2 峰值檢測(cè)電路與有效值檢測(cè)電路

通過(guò)峰值檢測(cè)和有效值檢測(cè)電路分別測(cè)出信號(hào)的有效值和峰峰值。經(jīng)過(guò)峰值檢測(cè)電路和有效值檢測(cè)電路處理信號(hào)變?yōu)橹绷餍盘?hào)，從而解決了51單片機(jī)無(wú)法處理10 MHz高頻率信號(hào)的問(wèn)題。

峰值檢測(cè)器(Peak Detector)要對(duì)信號(hào)的峰值進(jìn)行采集并保持。峰值檢測(cè)器分成幾個(gè)模塊：(1)模擬峰值存儲(chǔ)器，即電容器。(2)單向電流開(kāi)關(guān)，即二極管。(3)輸入輸出緩沖隔離，即運(yùn)算放大器。(4)電容放電復(fù)位開(kāi)關(guān)。

系統(tǒng)峰值檢測(cè)電路使用的運(yùn)放是TI公司的Difet靜電計(jì)級(jí)運(yùn)算放大器OPA128。采用OPA128中Datasheet提供的峰值檢測(cè)電路。

由圖4可知，輸入為理想二極管接法，輸出為電壓跟隨器。首先特別采用場(chǎng)效應(yīng)管或晶體管代替二極管，減小方向漏電流，因?yàn)閳?chǎng)效應(yīng)管的方向漏電流都在pA級(jí)，而二極管方向漏電流是nA級(jí)。其次電容的選擇也尤為重要，低漏電流需首要考慮。最后輸出的運(yùn)放最好選用偏置電流小的運(yùn)放，F(xiàn)ET輸入型的是首選。

綜合分析該電路有如下特點(diǎn)：(1)采用FET運(yùn)放提高直流特性，減小偏置電流OPA128的偏置電流低至75 fA。(2)將場(chǎng)效應(yīng)管當(dāng)二極管用，可以有效減小反向電流同時(shí)增加第一個(gè)運(yùn)放的輸出驅(qū)動(dòng)力。(3)小電容應(yīng)該是防止自激的。

有效值檢測(cè)電路中選用AD637，它是一款完整的高精度、單芯片均方根直流轉(zhuǎn)換器，可計(jì)算任何復(fù)雜波形的真均方根值，電路如圖5所示。

輸入緩沖和輸出偏移接到內(nèi)部的模擬公共端，一起接地;dB輸出端懸空;輸出緩沖懸空;CS通過(guò)一個(gè)外部的上拉電阻接Vs，降低系統(tǒng)在靜態(tài)時(shí)的工作電流;外部的輸入信號(hào)如果是交流信號(hào)，需要在輸入端串接一個(gè)無(wú)極性的耦合電容;電容Cav作用是調(diào)整輸出的直流信號(hào)紋波大小。經(jīng)測(cè)量發(fā)現(xiàn)，有效值為0.7～7 V，在此范圍內(nèi)能保證測(cè)量誤差≤±0.2%+0.5 mV。

1.1.3 分頻電路

89C51單片機(jī)內(nèi)部計(jì)數(shù)器，在使用12 MHz時(shí)鐘時(shí)，最大計(jì)數(shù)速率為500 kHz，因此需要外部分頻。分頻電路用于擴(kuò)展單片機(jī)頻率測(cè)量范圍，并實(shí)現(xiàn)單片機(jī)頻率測(cè)量使用統(tǒng)一信號(hào)，可使單片機(jī)測(cè)頻更易于實(shí)現(xiàn)，而且也降低了系統(tǒng)的測(cè)頻誤差。

設(shè)計(jì)選用芯片74LS191，其為可預(yù)置的4位二進(jìn)制加減法計(jì)數(shù)器，其功能表如表1所示，電路如圖6所示。74LS191由JK觸發(fā)器和門電路組成，按圖6所示鏈接后芯片相當(dāng)于4個(gè)JK觸發(fā)器串聯(lián)，而每個(gè)觸發(fā)器在相應(yīng)有效脈沖翻轉(zhuǎn)一次。所以當(dāng)?shù)?6個(gè)脈沖到來(lái)時(shí)C將產(chǎn)生進(jìn)位輸出。由于C輸出低有效，所以在C處接74LS04反相器得到正脈沖，經(jīng)16位分頻處理后10 MHz信號(hào)變?yōu)?2.500 Hz。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

信號(hào)經(jīng)過(guò)緩沖器變?yōu)槿?，分別送入峰值檢測(cè)電路、有效值檢測(cè)電路和分頻電路。從峰值檢測(cè)電路和有效值檢測(cè)電路輸出的極為直流信號(hào)，通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器送入51單片機(jī)的00口，則可得到信號(hào)的峰峰值。通過(guò)峰值與有效值的比即可自動(dòng)檢測(cè)出信號(hào)的類型，三角波峰值是有效值的1.732倍;正弦波有效值是峰值的0.707倍;方波峰值是有效值的2倍。最后一路信號(hào)通過(guò)分頻后直接送入單片機(jī)的計(jì)數(shù)器即P3.2口。

所有檢測(cè)的結(jié)果通過(guò)1602液晶顯示器通過(guò)中斷顯示方法顯示出來(lái)。

3 結(jié)束語(yǔ)

以上電路經(jīng)實(shí)際測(cè)試檢驗(yàn)，性能穩(wěn)定可靠，精度符合預(yù)期要求。隨著電子技術(shù)的進(jìn)步，運(yùn)算放大器的集成化和處理能力也在不斷地提高，可進(jìn)一步提高其頻率帶寬和測(cè)量精度。