簡易數字頻率計電路圖(一)
本文介紹一臺采用六功能電子表改裝的數字頻率計,它具有造價低廉,制作調試簡單,讀數方便等特點,很適合于初學者自制。
工作原理:由六功能電子表(以下簡稱“表”)原理可知,當把“表”置于“跑表計時”工作狀態(tài)時,在兩次按動“ADVANCE”鍵后,“表”顯時間就是兩次按鍵的間隔時間。若設間隔時間為T,表顯數值為M,則M=T·F/N(F為注入到表的信號頻率,N為表的分頻系數)。當使T=N(或T=N×10-x)時,則F=M(或F=M×10x),即表顯數值M就是輸入到表的信號頻率F。這就是本頻率計的基本工作原理。
電路如圖所示。
9V電源經IC1穩(wěn)壓為IC2和IC3提供穩(wěn)定的5V工作電源,5V電源再經R7和LED2降壓為電子表提供1.5V電源。IC2和IC3等完成對表的清零和產生T=N×10-x(32.80S和3.28S)的標準按鍵脈沖。S2為檔位轉換開關,分×10和×100兩檔,單位為HZ;SB為測量按鈕;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清零后開始計數,經一定時間Q9輸出高電平,由于Q9與EN端相接,IC3計數停止。此后按動S1‘把表轉換至“跑表計時”狀態(tài)。測量時,被測信號接到A和B兩端,S3置測量位,信號經R11、D1和D2限幅后通過C7耦合到表,按動SB,Q9的高電平使IC3清零并再次計數。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,相當于按了一下S2’鍵,表清“0”(顯示為0:00oo);在Q3輸出高電平時,相當于按了一下S3‘鍵,表開始計時(實則計數);在Q8輸出為高電平時,相當于又按了一下S3’鍵,表計時停止。此時表顯數值就是在IC2輸出5個脈沖周期內所進入到表內的脈沖個數(即頻率)。在Q9輸出高電平時,IC3計數停止,完成一次測量過程。R8~R10、LED3和LED4用于限制輸入到表“鍵”控端的電壓;LED1用于測量指示,在測量完畢后發(fā)光,以示測量時間已到,可以讀數。
元件選擇:S1為電源開關,S2和S3選單刀雙擲小型撥動開關,SB為測量按鈕開關。為保證測量的穩(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線性微調電位器。為方便于安裝,電子表需用帶“跑表”功能的BP機式電子表。其它元件的選擇如圖所注。
制作與調試:打開電子表后殼細心拆下線路板,找到表的電源(+)和(-)極,以及“SET”和“ADVANCE”按鍵的接點,作好標識設法用細軟線引出表殼外,再把內部晶振的一個端點與線路板脫開,參照電路圖連接小型開關S3并把S3固定在表殼一側(表內一側正好有此空間),將各引出線與主線路板連接好并恢復電子表機殼后就可進行調試。調整:接通電源,把表置“跑表計時”工作狀態(tài),S3置校準位,按動SB進行校準。S2在×10位時,調R3使表顯值為32.80S(理論值為32.768S);S2在×100位時調R4使表顯數值為3.28S即可。
使用與注意事項:1.測量后,表顯數值與S2所在檔位的乘積就是被測信號的頻率,單位為HZ。S2在×10檔時,誤差為10HZ;S2在×100檔時,誤差為100HZ。在顯示數值〉59.99S時,分位值應×6000后再與秒位數值相加。2.在被測信號頻率較低時,表屏將不能正常顯示,需待測量結束(即LED1發(fā)光)后,把S3打在校準位置進行讀取。3.表到主電路板的各連線應盡量短,特別是C7到S3之間的連線最好使用屏蔽線。4.輸入到表的信號最好小于1MHZ。
功能擴展:1.如欲測量較高信號頻率時,可采用在限幅前加分頻電路的方法進行擴展,如用一塊CD4017可使量程擴展到10MHZ等。2.如把IC2等組成的振蕩器中的電容,電阻(或電感)換成待測元件,依據振蕩器的脈沖周期T與元件參數成正比的關系,用它就可測量上述元件的參數值了。
簡易數字頻率計電路圖(二)
本文利用前置分頻器SAB6456A和高速數字分頻器74HC390的分頻功能,結合新型的MSP430F449單片機,給出了一種新穎的、全自動的數顯測量射頻頻率的設計方案。
圖1 信號的前端處理及分頻電路
主要器件介紹
MSP430F449單片機
MSP430F449 采用16位RISC結構,具有豐富的片內外設和大容量的片內工作寄存器和存儲器,性能價格比很高。它的特點包括:
· 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,響應時間小于6ps。
· 較強的運算能力:16位的RISC結構,豐富的尋址方式;具有16個中斷源,可以任意嵌套;在8MHz時鐘驅動下指令周期可達125ns; 內部包含硬件乘法器和大量寄存器,以及多達64KB的Flash程序空間和2KB的RAM,為存儲數據和運算提供了保證。
· 豐富的片上外設:包括看門狗定時器,基本定時器,比較器,16位定時器(TA、TB),串口0、1,液晶顯示驅動器,6個8位的I/O端口,12位ADC (最高采樣率200kHz)等。豐富的片上外設可以很方便地構建一個較為完整的系統(tǒng)。另外,充分利用計數器的多路任意波形產生功能和中斷控制功能,保證了一些復雜的時序控制任務的完成。
·方便高效的開發(fā)環(huán)境:MSP430F449是Flash型器件,片內有調試接口和電可擦寫的Flash存儲器,可以先下載程序到Flash內,再在器件內通過軟件控制程序的運行,由JTAG接口讀取片內信息供設計師調試。這種方式不需要仿真器和編程器,調試十分方便。
前置分頻器SAB6456A
SAB6456A是專為UHF/VHF設計的前置分頻器。內部的MCpin為分頻控制端,可對頻率范圍為70MHz-1GHz的信號進行64/256分頻,當MC pin開路時為64分頻;當MC pin接地時為256分頻。有較高的靈敏度和較強的諧波抑制能力。
圖2 單片機外圍電路
工作原理
該設計主要分兩部分:分頻和計數。首先,輸入信號限幅后經SAB6456A分頻,256分頻后的信號再經兩片74HC390高速分頻器進行1000分頻,此時模擬信號變?yōu)榈皖l數字信號,頻率在10kHz以下;其次,分頻后的信號直接接入MSP430F449單片機,利用內部的16位定時器A來定時和計數。該定時器可分為幾個部分:計數器部分,捕獲/比較寄存器及輸出單元。其中,計數器有4種工作模式,3個捕獲/比較寄存器。利用計數器的連續(xù)計數模式和上升沿捕獲模式,在定時器中斷中計數N個脈沖信號時間,再除N得到頻率。
硬件設計
圖1為信號的前端處理及分頻設計。輸出后的信號再經兩片SN74HC390分頻,SN74HC390是高速分頻器件,最高分頻頻率為50MHz。每片 SN74HC390可實現100分頻,采用兩片串聯(lián),可實現對信號的1000分頻,經分頻后的數字信號頻率較低,約4kHz以下,可由單片機直接計數。
圖2為單片機外圍電路,包括復位電路,電源電路和單片機工作必須的晶振。晶振有8MHz和32.768kHz兩種,8MHz 作為定時器A的計數器輸入時鐘源;32.768kHz 作為數碼管的顯示頻率。74LS373為D型鎖存器,5V單電源供電,因輸出電流足夠大,也可以直接驅動共陰極LG3631AH型數碼管。
軟件設計
將分頻的輸出端OUT接至單片機的頻率輸入端,程序開始先延時一段時間,待信號穩(wěn)定。開捕獲中斷和定時器A,在定時器A 中斷中計數N個脈沖,測量結束后得到N個脈沖的時間,然后除N得到脈沖的頻率,乘以分頻系數得到實際頻率并顯示,經過短暫延時后重新測量,如此循環(huán)測量并顯示。
在測量頻率時,為保證精度要關掉LED顯示,所以,對于頻率較低的信號會發(fā)生LED閃爍的情況,解決辦法是測量較少個脈沖以減少平均測量時間或減少延時。
采用動態(tài)掃描顯示,動態(tài)掃描顯示的原理是:由P4向各個位輪流輸出掃描信號,使每一位瞬間只有一個數碼管被選通,然后由P3向該位輸入顯示的字型碼,驅動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,使各個數碼管輪流顯示各自的字形,每位的顯示時間要超過1ms,這樣人眼就感覺不到閃爍了。
測量主程序如下:
void frequency_measure(void)
{float tmp,tmp1;
key_flag=0;//按鍵標志清0
P1OUT|=BIT0;
Delay(1000); file://延時一段時間等待信號穩(wěn)定
while(1)
{ IE2&=~0X80; file://關BT,關LED
CCTL1|=CCIE;//開timer a
while (f_ok_flag==0);//等待測量結束
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,越大表示延時越長,太小的話LED就會變暗
CCTL1&=~CCIE;//關捕獲
TACTL&=~TAIE;//關timer a
return;
}
}
流程圖如圖3所示。
圖3 主程序流程
結語
本文給出的硬件和軟件均經過實踐檢驗,使用該測量儀器所測結果精度較高。該測量儀器價格較低,結構簡單,是一種經濟型的頻率測試儀。
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