4.2 硬件部分设计
频率计由单片机AT89C52、信号预处理电路、测量数据显示电路所组成，其中信号预处理电路包括待测信号放大、波形变换、波形整形和分频电路。系统硬件实现框图如图4.1所示。
待测电路 放大电路 波形变换、整形 显示电路 单片机
图4.1 系统硬件实现框图
4.2.1信号放大电路
采用两个NPN三极管级联方式实现对待测信号的放大,降低对待测信号的幅度要求。如图4.2 所示。 前一个三极管采用共集电极方式，主要是为了获得比较宽的频带，并不具有实质性的放大作用。后一个三极管采用共发射极方式，主要作用是放大非常弱的输入脉冲信号，一般通过它的放大后，其电压可以达到3伏以上。为了消除不必要的噪声信号干扰，在两级放大电路中都可以加入滤波电容，保证待测信号的稳定。
图4.2 放大电路
第14页
4.2.2单片机AT89C52
在实际的设计中，将AT89C52的P1口设置为接收数据端口，将P3口设置为第二功能。P3.4用于直接测频率时脉冲信号的计数端；P3.5用于定时???。将P0口和P2口设置为发送数据端口。P0口的各引脚接到RP1的输入端，用于段驱动；P2口用于位驱动。单片机复位端（RST）可采用内部软件复位，也可采用外部手动复位，实际操作也很方便。这里采用外部手动复位，为图4.3且晶体振荡器电路如图4.4所示：
图4.3 单片机复位电路图4.4 晶体振荡器电路
4.2.3测量数据显示电路
如图4.5所示。一般而言，数据显示有静态显示和动态显示两种。所谓静态显示，就是当显示器显示某一个字符时，相应的发光二极管恒定地导通和截止。它的优点是显示稳定，显示亮度大；缺点是使用的数码管数量少。正是因为它的这个缺点和本设计的要求，数字频率计的显示电路选择了采用动态扫描显示。所谓动态显示，就是LED显示器一位一位地轮流电亮（扫描）。对于每一位LED显示器来说，每隔一段时间点亮一次???。LED 显示器的亮度既与导通电流有关，也与LED显示器点亮时间和间隔时间的比例有关。通过调整LED显示器的导通电流和时间比例参数，可以实现较高亮度且稳定的显示。具体工作过程是：LED显示器采用共阴极动态显示形式，6位LED用两块四位集成的数码管连接组成。频率计数结果以BCD码的形式存放在89C52的存储单元中，
[8] 刘雪根.数字频率计的误差分析[J].自动化与仪表，1996，11(3)：23-24.
[9] 徐成，刘彦，李仁发等．一种全同步数字频率测量方法的研究[M]．电子技术应用，2004，07.
第15页
通过P0口接到74LS245上，控制6位LED的段选码；通过P2口接到74AC08上，控制6位LED的位选码。RP1是8位总线驱动器，由芯片上的T/R引脚（1脚）控制数据的传输方向。当T/R=1时，数据从A端传送到B端；当T/R=0时，数据从B端传送到A端。根据本设计的原理图知，数据是从A端传送到B端，因此设T/R=1，即是高电平有效。另外，由于51单片机的P0口没有上拉电阻，在将P0口设置为输出端时，必须考虑在段驱动的每一段位上接入上拉电阻，使LED显示管能够工作。我们知道，单片机的P1口扫描输出时总有一位为高电平，如果没有反相驱动器将这一位的高电平变成低电平，那在LED上显示出来的将是乱码。74AC08是六与非门反相驱动器，正好符合我们的设计要求。由于是8位LED显示管，所以采用两个74AC08来控制。
图4.5 测量数据显示电路
第16页
4.3 硬件电路工作过程
首先讨论一下定时器/计数器的工作原理。如图4.6 所示。
振荡器 1/12 C/T?0 16位 THX TLX 加1计数器 T0/TTR0/TR1 C/T?1 ?11 TFX 中断 GATE ?1 INT0/INT1
图4.6 定时器/计数器T0、T1的逻辑结构
当控制信号C/T?0时，定时器工作在定时方式。加1计数器对脉冲f进行计数，每来一个脉冲计数器加1，直到计数器计满溢出。由上图可以看出，脉冲f是振荡器时钟频率f0的12分频，即脉冲频率f为时钟频率f0的1/12。显然，一个计数脉冲的周期为一个机器周期。计数器计数的是机器周期脉冲的个数，从而实现定时。可知，定时器的定时时间不仅与加1计数器的初值（计数器中的起始值,即计数长度）有关，而且还与系统振荡器时钟频率f0有关????。
当控制信号C/T?1时，定时器工作在计数方式。加1计数器对来自输入引脚T0和T1的外部信号脉冲计数。
[10]Dawei Fan，Centeno，V．Phasor-Based Synchronized Frequency Measurement in Power Systems．Power
Delivery,IEEE Transactions Oil，2007.
第17页
4.3.1直接测频法的工作流程
AT89C52 IN 74HC00 T0 P3.0 显示
图4.7 直接测频法流程
如图4.7 所示。前置放大器完成信号放大、电平平移的任务，被测的交流信号被放大、平移成脉冲直流信号，再经74HC00反相器整形成矩形脉冲。方波信号被送到与门的一个输入端，与门的另一个输入端连接1s门控信号，实际制作中连接AT89C52的11脚（P3.1）。11脚电平的高低可通过指令加以控制。AT89C52外接晶振24MHz，该晶振的频率稳定性很重要，因为它也是门控信号的时间基准。内置计数器可通过软件设置对振荡频率的l2分频进行计数/定时，这里将T0置为方式1计数状态，C/T?1，GATE=0，即D3D2D1D0=0101（如图12、表2、表3所示），待测脉冲信号通过T0引脚输入单片机进行计数。T1置为方式1定时状态，C/T?0，GATE=0。
即D7D6D5D4=1001（如图12、表2、表3所示），并将其初值置为TH1=D8H，TL1=EF，这样
(#D8EFH)]?1/24?12?s?5ms产生一次定时器T1溢出中断，在T1中断的入口处每[65536?55535（001BH）对中断次数进行软件计数????。当中断次数为1s/5ms?200次时，历时1s。1s后关闭闸门，其计数结果通过P1口读入，送至30H至33H（压缩的BCD码）单元，显示子程序则将BCD码经查表指
[11] 李广明，杨雷．一种多周期测量频率的方法及应用[J]．现代电子技术，2008，12：155-157.
第18页