基于51單片機的高頻頻率計的設(shè)計

摘要 基于51單片機設(shè)計了一款測試范圍在1 Hz～10 MHz的頻率計。系統(tǒng)通過峰值有效電路和有效值電路將正弦渡、方波和三角波轉(zhuǎn)化為直流信號送入單片機，通過編寫相應(yīng)的程序計算出其有效值和峰峰值的比，實現(xiàn)自動檢測的目的，并由顯示電路顯示測量結(jié)果。該系統(tǒng)電路簡潔、軟件編寫簡單、調(diào)試難度低。

目前在頻率測量領(lǐng)域中，對于高頻率信號高精度測量大都使用ARM、FPGA等高速處理器加專用計數(shù)芯片來完成。但這種方法程序編寫復(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)計的高頻信號頻率計，除數(shù)據(jù)處理和顯示交由單片機負責(zé)外，測頻核心電路用經(jīng)檢測的模擬電路完成，該高頻頻率計電路簡潔，軟件編寫簡單，降低了調(diào)試難度的同時增強了其操作性。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

系統(tǒng)以STC80C51為核心，設(shè)計了一款測試范圍在1 Hz～10 MHz的頻率計。該系統(tǒng)主要設(shè)計思想是通過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，送入單片機，通過編寫相應(yīng)的程序計算出其有效值和峰峰值比，實現(xiàn)自動檢測的目的，最后通過顯示電路顯示測量結(jié)果。

系統(tǒng)分為：緩沖器、峰值檢測電路、有效值檢測電路、分頻電路、模式轉(zhuǎn)換、最小系統(tǒng)和顯示電路。總體設(shè)計方案如圖1所示。

輸入信號i經(jīng)過緩沖器處理分為3路輸出，依次作為峰值檢測電路、有效值檢測電路和分頻器電路的輸入信號。經(jīng)峰值檢測電路和有效值電路處理后，輸出直流信號O1、O2，經(jīng)分頻器分頻后輸出方波信號O3。O1和O2經(jīng)過A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換后輸入單片機，在單片機中進行處理比較峰值和有效值的關(guān)系從而達到自動確定信號類型的功能。O3經(jīng)計數(shù)器輸入單片機以計算出信號頻率。處理完成后通過顯示模塊LCD1602顯示出信號的頻率、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。電壓跟隨器由運放構(gòu)成。對于10 MHz及其以上頻率的信號需要考慮運放壓擺率對信號的影響。壓擺率反映了運算放大器輸出電壓的轉(zhuǎn)換速率，它是運算放大器在速度方面的指標。

壓擺率的數(shù)學(xué)定義

SR=2×Po×f×Vpk (1)

式中，f為最大頻率，一般認為是帶寬;Vpk是放大輸出信號的最大峰值。可見壓擺率越高運放輸出電壓的轉(zhuǎn)換速率快。對于10 MHz的信號來說，必須要選擇壓擺率高的運放。常用的Op07壓擺率為3.5，壓擺率過低，當(dāng)信號頻率超過100 Hz信號即發(fā)生嚴重失真。故系統(tǒng)選用LM7171，一種高壓擺率運放，壓擺率為4 100 V/μs，足夠滿足10 MHZ的信號轉(zhuǎn)換速度。

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

1.1.2 峰值檢測電路與有效值檢測電路

通過峰值檢測和有效值檢測電路分別測出信號的有效值和峰峰值。經(jīng)過峰值檢測電路和有效值檢測電路處理信號變?yōu)橹绷餍盘?，從而解決了51單片機無法處理10 MHz高頻率信號的問題。

峰值檢測器(Peak Detector)要對信號的峰值進行采集并保持。峰值檢測器分成幾個模塊：(1)模擬峰值存儲器，即電容器。(2)單向電流開關(guān)，即二極管。(3)輸入輸出緩沖隔離，即運算放大器。(4)電容放電復(fù)位開關(guān)。

系統(tǒng)峰值檢測電路使用的運放是TI公司的Difet靜電計級運算放大器OPA128。采用OPA128中Datasheet提供的峰值檢測電路。

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

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

有效值檢測電路中選用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通過一個外部的上拉電阻接Vs，降低系統(tǒng)在靜態(tài)時的工作電流;外部的輸入信號如果是交流信號，需要在輸入端串接一個無極性的耦合電容;電容Cav作用是調(diào)整輸出的直流信號紋波大小。經(jīng)測量發(fā)現(xiàn)，有效值為0.7～7 V，在此范圍內(nèi)能保證測量誤差≤±0.2%+0.5 mV。

1.1.3 分頻電路

89C51單片機內(nèi)部計數(shù)器，在使用12 MHz時鐘時，最大計數(shù)速率為500 kHz，因此需要外部分頻。分頻電路用于擴展單片機頻率測量范圍，并實現(xiàn)單片機頻率測量使用統(tǒng)一信號，可使單片機測頻更易于實現(xiàn)，而且也降低了系統(tǒng)的測頻誤差。

設(shè)計選用芯片74LS191，其為可預(yù)置的4位二進制加減法計數(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JK觸發(fā)器串聯(lián)，而每個觸發(fā)器在相應(yīng)有效脈沖翻轉(zhuǎn)一次。所以當(dāng)?shù)?6個脈沖到來時C將產(chǎn)生進位輸出。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信號變?yōu)?2.500 Hz。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

信號經(jīng)過緩沖器變?yōu)槿?，分別送入峰值檢測電路、有效值檢測電路和分頻電路。從峰值檢測電路和有效值檢測電路輸出的極為直流信號，通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器送入51單片機的00口，則可得到信號的峰峰值。通過峰值與有效值的比即可自動檢測出信號的類型，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。最后一路信號通過分頻后直接送入單片機的計數(shù)器即P3.2口。

所有檢測的結(jié)果通過1602液晶顯示器通過中斷顯示方法顯示出來。

3 結(jié)束語

以上電路經(jīng)實際測試檢驗，性能穩(wěn)定可靠，精度符合預(yù)期要求。隨著電子技術(shù)的進步，運算放大器的集成化和處理能力也在不斷地提高，可進一步提高其頻率帶寬和測量精度。