簡易數(shù)字頻率計(jì)電路圖（一）

本文介紹一臺(tái)采用六功能電子表改裝的數(shù)字頻率計(jì)，它具有造價(jià)低廉，制作調(diào)試簡單，讀數(shù)方便等特點(diǎn)，很適合于初學(xué)者自制。

工作原理：由六功能電子表（以下簡稱“表”）原理可知，當(dāng)把“表”置于“跑表計(jì)時(shí)”工作狀態(tài)時(shí)，在兩次按動(dòng)“ADVANCE”鍵后，“表”顯時(shí)間就是兩次按鍵的間隔時(shí)間。若設(shè)間隔時(shí)間為T，表顯數(shù)值為M，則M=T·F/N（F為注入到表的信號(hào)頻率，N為表的分頻系數(shù)）。當(dāng)使T=N（或T=N×10-x）時(shí)，則F=M（或F=M×10x），即表顯數(shù)值M就是輸入到表的信號(hào)頻率F。這就是本頻率計(jì)的基本工作原理。

電路如圖所示。

9V電源經(jīng)IC1穩(wěn)壓為IC2和IC3提供穩(wěn)定的5V工作電源，5V電源再經(jīng)R7和LED2降壓為電子表提供1.5V電源。IC2和IC3等完成對(duì)表的清零和產(chǎn)生T=N×10-x（32.80S和3.28S）的標(biāo)準(zhǔn)按鍵脈沖。S2為檔位轉(zhuǎn)換開關(guān)，分×10和×100兩檔，單位為HZ；SB為測(cè)量按鈕；S1‘～S3’分別是表的“MODE”、“SET”和“ADVANCE”按鍵。工作過程如下：接通電源，由IC2（NE555）、R1～R4和C3組成的自激振蕩器振蕩，IC3（CD4017）通過C5清零后開始計(jì)數(shù)，經(jīng)一定時(shí)間Q9輸出高電平，由于Q9與EN端相接，IC3計(jì)數(shù)停止。此后按動(dòng)S1‘把表轉(zhuǎn)換至“跑表計(jì)時(shí)”狀態(tài)。測(cè)量時(shí)，被測(cè)信號(hào)接到A和B兩端，S3置測(cè)量位，信號(hào)經(jīng)R11、D1和D2限幅后通過C7耦合到表，按動(dòng)SB，Q9的高電平使IC3清零并再次計(jì)數(shù)。隨著IC2脈沖的不斷輸入，IC3的Q1～Q9依次輸出高電平。在Q1輸出高電平時(shí)，相當(dāng)于按了一下S2’鍵，表清“0”（顯示為0:00oo）；在Q3輸出高電平時(shí)，相當(dāng)于按了一下S3‘鍵，表開始計(jì)時(shí)（實(shí)則計(jì)數(shù)）；在Q8輸出為高電平時(shí)，相當(dāng)于又按了一下S3’鍵，表計(jì)時(shí)停止。此時(shí)表顯數(shù)值就是在IC2輸出5個(gè)脈沖周期內(nèi)所進(jìn)入到表內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)（即頻率）。在Q9輸出高電平時(shí)，IC3計(jì)數(shù)停止，完成一次測(cè)量過程。R8～R10、LED3和LED4用于限制輸入到表“鍵”控端的電壓；LED1用于測(cè)量指示，在測(cè)量完畢后發(fā)光，以示測(cè)量時(shí)間已到，可以讀數(shù)。

元件選擇：S1為電源開關(guān)，S2和S3選單刀雙擲小型撥動(dòng)開關(guān)，SB為測(cè)量按鈕開關(guān)。為保證測(cè)量的穩(wěn)定性能和精度，C3需選擇漏電流較小耐壓在16V的鉭質(zhì)電容，R1～R2最好用1/4W的金屬膜電阻器，R3和R4用1/2W的51K線性微調(diào)電位器。為方便于安裝，電子表需用帶“跑表”功能的BP機(jī)式電子表。其它元件的選擇如圖所注。

制作與調(diào)試：打開電子表后殼細(xì)心拆下線路板，找到表的電源（+）和（-）極，以及“SET”和“ADVANCE”按鍵的接點(diǎn)，作好標(biāo)識(shí)設(shè)法用細(xì)軟線引出表殼外，再把內(nèi)部晶振的一個(gè)端點(diǎn)與線路板脫開，參照電路圖連接小型開關(guān)S3并把S3固定在表殼一側(cè)（表內(nèi)一側(cè)正好有此空間），將各引出線與主線路板連接好并恢復(fù)電子表機(jī)殼后就可進(jìn)行調(diào)試。調(diào)整：接通電源，把表置“跑表計(jì)時(shí)”工作狀態(tài)，S3置校準(zhǔn)位，按動(dòng)SB進(jìn)行校準(zhǔn)。S2在×10位時(shí)，調(diào)R3使表顯值為32.80S（理論值為32.768S）；S2在×100位時(shí)調(diào)R4使表顯數(shù)值為3.28S即可。

使用與注意事項(xiàng)：1.測(cè)量后，表顯數(shù)值與S2所在檔位的乘積就是被測(cè)信號(hào)的頻率，單位為HZ。S2在×10檔時(shí)，誤差為10HZ；S2在×100檔時(shí)，誤差為100HZ。在顯示數(shù)值〉59.99S時(shí)，分位值應(yīng)×6000后再與秒位數(shù)值相加。2.在被測(cè)信號(hào)頻率較低時(shí)，表屏將不能正常顯示，需待測(cè)量結(jié)束（即LED1發(fā)光）后，把S3打在校準(zhǔn)位置進(jìn)行讀取。3.表到主電路板的各連線應(yīng)盡量短，特別是C7到S3之間的連線最好使用屏蔽線。4.輸入到表的信號(hào)最好小于1MHZ。

功能擴(kuò)展：1.如欲測(cè)量較高信號(hào)頻率時(shí)，可采用在限幅前加分頻電路的方法進(jìn)行擴(kuò)展，如用一塊CD4017可使量程擴(kuò)展到10MHZ等。2.如把IC2等組成的振蕩器中的電容，電阻（或電感）換成待測(cè)元件，依據(jù)振蕩器的脈沖周期T與元件參數(shù)成正比的關(guān)系，用它就可測(cè)量上述元件的參數(shù)值了。

簡易數(shù)字頻率計(jì)電路圖（二）

本文利用前置分頻器SAB6456A和高速數(shù)字分頻器74HC390的分頻功能，結(jié)合新型的MSP430F449單片機(jī)，給出了一種新穎的、全自動(dòng)的數(shù)顯測(cè)量射頻頻率的設(shè)計(jì)方案。

圖1 信號(hào)的前端處理及分頻電路

主要器件介紹

MSP430F449單片機(jī)

MSP430F449 采用16位RISC結(jié)構(gòu)，具有豐富的片內(nèi)外設(shè)和大容量的片內(nèi)工作寄存器和存儲(chǔ)器，性能價(jià)格比很高。它的特點(diǎn)包括：

· 超低的功耗：能夠在1.8V~ 3.6V的電壓下工作；具有工作模式（AM）和5種低功耗模式（LPM）。在低功耗模式下，CPU可以被中斷喚醒，響應(yīng)時(shí)間小于6ps。

· 較強(qiáng)的運(yùn)算能力：16位的RISC結(jié)構(gòu)，豐富的尋址方式；具有16個(gè)中斷源，可以任意嵌套；在8MHz時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)下指令周期可達(dá)125ns； 內(nèi)部包含硬件乘法器和大量寄存器，以及多達(dá)64KB的Flash程序空間和2KB的RAM，為存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和運(yùn)算提供了保證。

· 豐富的片上外設(shè)：包括看門狗定時(shí)器，基本定時(shí)器，比較器，16位定時(shí)器（TA、TB），串口0、1，液晶顯示驅(qū)動(dòng)器，6個(gè)8位的I／O端口，12位ADC （最高采樣率200kHz）等。豐富的片上外設(shè)可以很方便地構(gòu)建一個(gè)較為完整的系統(tǒng)。另外，充分利用計(jì)數(shù)器的多路任意波形產(chǎn)生功能和中斷控制功能，保證了一些復(fù)雜的時(shí)序控制任務(wù)的完成。

·方便高效的開發(fā)環(huán)境：MSP430F449是Flash型器件，片內(nèi)有調(diào)試接口和電可擦寫的Flash存儲(chǔ)器，可以先下載程序到Flash內(nèi)，再在器件內(nèi)通過軟件控制程序的運(yùn)行，由JTAG接口讀取片內(nèi)信息供設(shè)計(jì)師調(diào)試。這種方式不需要仿真器和編程器，調(diào)試十分方便。

前置分頻器SAB6456A

SAB6456A是專為UHF/VHF設(shè)計(jì)的前置分頻器。內(nèi)部的MCpin為分頻控制端，可對(duì)頻率范圍為70MHz-1GHz的信號(hào)進(jìn)行64/256分頻，當(dāng)MC pin開路時(shí)為64分頻；當(dāng)MC pin接地時(shí)為256分頻。有較高的靈敏度和較強(qiáng)的諧波抑制能力。

圖2 單片機(jī)外圍電路

工作原理

該設(shè)計(jì)主要分兩部分：分頻和計(jì)數(shù)。首先，輸入信號(hào)限幅后經(jīng)SAB6456A分頻，256分頻后的信號(hào)再經(jīng)兩片74HC390高速分頻器進(jìn)行1000分頻，此時(shí)模擬信號(hào)變?yōu)榈皖l數(shù)字信號(hào)，頻率在10kHz以下；其次，分頻后的信號(hào)直接接入MSP430F449單片機(jī)，利用內(nèi)部的16位定時(shí)器A來定時(shí)和計(jì)數(shù)。該定時(shí)器可分為幾個(gè)部分：計(jì)數(shù)器部分，捕獲/比較寄存器及輸出單元。其中，計(jì)數(shù)器有4種工作模式，3個(gè)捕獲/比較寄存器。利用計(jì)數(shù)器的連續(xù)計(jì)數(shù)模式和上升沿捕獲模式，在定時(shí)器中斷中計(jì)數(shù)N個(gè)脈沖信號(hào)時(shí)間，再除N得到頻率。

硬件設(shè)計(jì)

圖1為信號(hào)的前端處理及分頻設(shè)計(jì)。輸出后的信號(hào)再經(jīng)兩片SN74HC390分頻，SN74HC390是高速分頻器件，最高分頻頻率為50MHz。每片 SN74HC390可實(shí)現(xiàn)100分頻，采用兩片串聯(lián)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的1000分頻，經(jīng)分頻后的數(shù)字信號(hào)頻率較低，約4kHz以下，可由單片機(jī)直接計(jì)數(shù)。

圖2為單片機(jī)外圍電路，包括復(fù)位電路，電源電路和單片機(jī)工作必須的晶振。晶振有8MHz和32.768kHz兩種，8MHz 作為定時(shí)器A的計(jì)數(shù)器輸入時(shí)鐘源；32.768kHz 作為數(shù)碼管的顯示頻率。74LS373為D型鎖存器，5V單電源供電，因輸出電流足夠大，也可以直接驅(qū)動(dòng)共陰極LG3631AH型數(shù)碼管。

軟件設(shè)計(jì)

將分頻的輸出端OUT接至單片機(jī)的頻率輸入端，程序開始先延時(shí)一段時(shí)間，待信號(hào)穩(wěn)定。開捕獲中斷和定時(shí)器A，在定時(shí)器A 中斷中計(jì)數(shù)N個(gè)脈沖，測(cè)量結(jié)束后得到N個(gè)脈沖的時(shí)間，然后除N得到脈沖的頻率，乘以分頻系數(shù)得到實(shí)際頻率并顯示，經(jīng)過短暫延時(shí)后重新測(cè)量，如此循環(huán)測(cè)量并顯示。

在測(cè)量頻率時(shí)，為保證精度要關(guān)掉LED顯示，所以，對(duì)于頻率較低的信號(hào)會(huì)發(fā)生LED閃爍的情況，解決辦法是測(cè)量較少個(gè)脈沖以減少平均測(cè)量時(shí)間或減少延時(shí)。

采用動(dòng)態(tài)掃描顯示，動(dòng)態(tài)掃描顯示的原理是：由P4向各個(gè)位輪流輸出掃描信號(hào)，使每一位瞬間只有一個(gè)數(shù)碼管被選通，然后由P3向該位輸入顯示的字型碼，驅(qū)動(dòng)該位字形段顯示字形。這樣，在P3送出的碼段和P4送出的位段的配合下，使各個(gè)數(shù)碼管輪流顯示各自的字形，每位的顯示時(shí)間要超過1ms，這樣人眼就感覺不到閃爍了。

測(cè)量主程序如下：

void frequency_measure（void）

{float tmp，tmp1;

key_flag=0;//按鍵標(biāo)志清0

P1OUT|=BIT0;

Delay（1000）; file://延時(shí)一段時(shí)間等待信號(hào)穩(wěn)定

while（1）

{ IE2&=~0X80; file://關(guān)BT，關(guān)LED

firstflag=1;//開始測(cè)量第一個(gè)脈沖

TACTL|=TAIE; file://開捕獲

CCTL1|=CCIE;//開timer a

while （f_ok_flag==0）;//等待測(cè)量結(jié)束

f_ok_flag=0;

if （aa1》aa2）

overflow=overflow-1;

tmp=aa2-aa1;

tmp1=40.0/（overflow*0.008191875+（tmp/8000000.0））;

result=tmp1*0.256;

IE2|=0X80;//開BT，開LED

yanshi（2，2）;//可以修改這里的參數(shù)，越大表示延時(shí)越長，太小的話LED就會(huì)變暗

CCTL1&=~CCIE;//關(guān)捕獲

TACTL&=~TAIE;//關(guān)timer a

return;

}

}

流程圖如圖3所示。

圖3 主程序流程

結(jié)語

本文給出的硬件和軟件均經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn)，使用該測(cè)量儀器所測(cè)結(jié)果精度較高。該測(cè)量儀器價(jià)格較低，結(jié)構(gòu)簡單，是一種經(jīng)濟(jì)型的頻率測(cè)試儀。