摘 要： 為精確測量信號的頻率、周期等電參數，設計了一種以MSP430F149單片機為控制核心，外接1602顯示屏的簡易<a class="innerlink" href="http://m.viuna.cn/tags/<a class="innerlink" href="http://m.viuna.cn/tags/target="_blank">頻率計" title="頻率計" target="_blank">頻率計" title="頻率計" target="_blank">頻率計，可以用于測量信號的頻率、周期以及方波的占空比和脈寬時間。該頻率計利用單片機的定時器A捕捉相鄰上升、下降沿。通過處理對應時刻的TAR值，計算得出頻率、周期等電參量，并在1602上顯示。經過測試，該系統簡潔方便、功能多樣，頻率測量誤差低于0.1%，達到設計的指標，信號頻率的測量范圍為1 Hz~1 MHz，可用于測量小信號，能夠滿足實際要求，可投入實際測量中使用。

　　關鍵詞： 頻率計；定時器A；TAR；小信號；電參數

0 引言

　　隨著社會及現代工業的發展，精密測量出電子設備中各種信號的頻率、周期等電參數已經變得越來越重要。而頻率又與其他電參數緊密相關。所以頻率計的出現和使用具有十分重要的意義，其在教學、科研、儀器測量和自動控制等方面有著舉足輕重的作用[1]。

　　傳統的頻率計有諸多局限性，例如結構復雜、功耗大、不易于攜帶、穩定性差、成本高等，而且其單一測頻性也無法滿足實際工業的需要[2]。基于此，本文作者在自己的學習經驗和實際應用的基礎上，設計出一款新型的頻率計，這款頻率計以430單片機為核心，具有低功耗、高精度、便攜式、多功能等特點，很好地彌補了傳統頻率計的諸多缺陷。

1 設計思路及基本原理

　　在傳統的頻率計設計中，普遍使用脈沖數定時測頻法和脈沖周期測頻法。這兩種方法具有簡單、方便、易實現等特點，缺點是不夠精確，而且相比于測量高頻信號，測量低頻信號的誤差較大[3]。本文作者在學習430單片機期間，感慨于430內部硬件的豐富資源，尤以定時器為甚。在一段時間的研究與實踐之后，發現430單片機的內部定時器的工作方式中，有可以捕獲上升、下降沿這一工作方式。而這種工作方式可以用來測量待測信號的頻率，并且這種方法具有測量范圍廣和結果精確的特點。同樣是使用這一工作方式，還能得到待測信號的其他電參數（如待測信號為方波，可得到相應的占空比和脈沖寬度），從而使頻率計的功能多樣化[4]。

2 硬件設計

　　本文所設計的頻率計是以MSP430F149單片機為控制單元，待測的單一頻率信號直接進入單片機內部。單片機通過內部定時器設置捕捉上升、下降沿的工作方式，從而在信號輸入之后捕捉上升、下降沿，再讀取兩時刻所對應的TAR中的值，進行處理運算之后，測量出頻率等電參量，最后顯示在1602上。

　　2.1 單片機單元電路

　　單片機選用TI公司的MSP430F149單片機，這款單片機具有16位總線且自帶Flash[5-6]。外設和內存統一編址，尋址范圍可達64 K，還可以外拓存儲器，具有統一的中斷管理以及豐富的片上外圍模塊，片內有精密硬件乘法器、兩個16位定時器A和B、一個12位的A/D轉換器、一個看門狗、一個比較器、一個內部DCO振蕩器和兩個外部時鐘，支持8 MHz的時鐘。同時還具有豐富的中斷源，其P1口和P2口都具有中斷功能。由于為Flash型，可進行編程調試和下載，且JTAG口直接與FET相連，不需另外仿真工具，并且該款單片機還可以在超低功耗模式下工作，可靠性能好。對其加強干電干擾，運行亦不受影響，適合工業級運行環境。總之，在提倡低功耗的今天，430單片機的應用十分廣泛[7]。

　　單片機單元電路如 圖1所示。

　　2.2 功能按鍵電路、顯示電路

　　功能按鍵電路由一個獨立按鍵組成，接P2.0，當已知輸入P1.1信號為方波，且需要測量占空比時，按下按鍵，即可測量出方波占空比和脈沖寬度。

　　顯示電路用的是1602液晶顯示器，電路圖如圖2所示。

　　在本應用的實現中，使用單片機P1.1口作為待測信號輸入端。

3 軟件設計

　　該數字頻率計軟件程序采用模塊化設計，主要包括頻率測量模塊、周期測量模塊、占空比測量模塊和脈寬測量模塊。

　　主程序框圖如 圖3所示。

　　上電復位之后，程序便處于運行階段，若只需測量出待測信號頻率及周期，則不用按鍵，定時器經待測信號觸發，直接捕捉相鄰上升沿，并讀出對應的兩次TAR值，通過將兩個值相減，然后采用除整取余運算，得出每一位的十進制數字，最后在顯示屏上顯示出相應的頻率與周期。

　　若已知待測信號為方波且用戶需要測量該方波的占空比及脈沖寬度，可按下獨立按鍵，單片機程序進入方波測量程序模塊，啟動定時器捕捉相臨上升、下降和上升沿，并讀出相對應的3個TAR值，再通過類似上述求頻率的方法，可得出所對應的十進制數，最后在顯示屏上顯示出占空比及脈沖寬度。

　　一次測量之后，程序循環，繼續判斷，若輸入信號頻率有變化，測量顯示的結果也會相應變化，從而達到了實時測量信號的電參數的功能。

4 測試及分析

　　設計完成之后，分別對每個功能模塊進行測試。測試方法：使用信號發生器(DG1022)和數字示波器(DS1052)對系統進行測試。系統由作者自制電源供電，函數信號發生器對系統和示波器輸入同樣的正弦波、三角波、方波和矩形波，通過對兩者測量結果的比較，確定系統性能。表1所示為測試結果。

　　經測量可知，此頻率計能測量的頻率范圍為1 Hz~ 1 MHz，且測量誤差在0.01%之內，周期、脈寬、占空比均低于1%。

5 結論

　　該簡易頻率計能完成一定范圍內的頻率、周期、占空比和脈沖寬度[8]的測量，且具有結構簡單、成本較低、功能全面的優點。該簡易頻率計是對電子計數器領域多功能和多用途的拓展研究[9-10]，具有一定的應用前景。

參考文獻

　　[1] 郝建國，劉立新，黨劍華. 基于單片機的頻率計設計[J]． 西安郵電學院學報, 2003, 8(3):31-34．

　　[2] 公茂法，孫皓，呂常智. 簡易數字頻率計的設計與分析[J[． 山東礦業學院學報: 自然科學版, 1999,18(2):44-49．

　　[3] 林占江. 電子測量技術(第2版)[M]. 北京: 電子工業出版社, 2007.

　　[4] 周航慈. 單片機應用程序設計技術[M]. 北京:北京航空航天大學出版社, 1991.

　　[5] Kay S. Statistically/computationally efficient frequency estimation[C]. Proceedings of IEEE International Conference in Acoustic Speech and Signal Processing. New York: IEEE service center, 1988. 2292-2295.

　　[6] TEXAS INSTRUMENTS. MSP430X1XX Family User's Guide[Z]. 2004．

　　[7] 徐太忠，鄒高平. 便攜式電子系統的低功耗設計[J]. 單片機與嵌入式系統應用, 2002(8):98-101.

　　[8] 劉竹琴，白澤生. 一種基于單片機的數字頻率計的實現[J].現代電子技術, 2010,33(1):90-92．

　　[9] 史軍，雷正紅. 數字頻率計的設計[J]. 河西學院學報, 2005,21(5):7-38．

　　[10] 尹海峰，尹海潮，孫樹強. 頻率的測量在單片機設計中的應用[J]. 科技信息(科學教研)，2008(7):37-42.