摘 要： 为精确测量信号的频率、周期等电参数，设计了一种以MSP430F149单片机为控制核心，外接1602显示屏的简易target="_blank">频率计" title="频率计" target="_blank">频率计" title="频率计" target="_blank">频率计，可以用于测量信号的频率、周期以及方波的占空比和脉宽时间。该频率计利用单片机的定时器A捕捉相邻上升、下降沿。通过处理对应时刻的TAR值，计算得出频率、周期等电参量，并在1602上显示。经过测试，该系统简洁方便、功能多样，频率测量误差低于0.1%，达到设计的指标，信号频率的测量范围为1 Hz~1 MHz，可用于测量小信号，能够满足实际要求，可投入实际测量中使用。

关键词： 频率计；定时器A；TAR；小信号；电参数

0 引言

　　随着社会及现代工业的发展，精密测量出电子设备中各种信号的频率、周期等电参数已经变得越来越重要。而频率又与其他电参数紧密相关。所以频率计的出现和使用具有十分重要的意义，其在教学、科研、仪器测量和自动控制等方面有着举足轻重的作用[1]。

　　传统的频率计有诸多局限性，例如结构复杂、功耗大、不易于携带、稳定性差、成本高等，而且其单一测频性也无法满足实际工业的需要[2]。基于此，本文作者在自己的学习经验和实际应用的基础上，设计出一款新型的频率计，这款频率计以430单片机为核心，具有低功耗、高精度、便携式、多功能等特点，很好地弥补了传统频率计的诸多缺陷。

1 设计思路及基本原理

　　在传统的频率计设计中，普遍使用脉冲数定时测频法和脉冲周期测频法。这两种方法具有简单、方便、易实现等特点，缺点是不够精确，而且相比于测量高频信号，测量低频信号的误差较大[3]。本文作者在学习430单片机期间，感慨于430内部硬件的丰富资源，尤以定时器为甚。在一段时间的研究与实践之后，发现430单片机的内部定时器的工作方式中，有可以捕获上升、下降沿这一工作方式。而这种工作方式可以用来测量待测信号的频率，并且这种方法具有测量范围广和结果精确的特点。同样是使用这一工作方式，还能得到待测信号的其他电参数（如待测信号为方波，可得到相应的占空比和脉冲宽度），从而使频率计的功能多样化[4]。

2 硬件设计

　　本文所设计的频率计是以MSP430F149单片机为控制单元，待测的单一频率信号直接进入单片机内部。单片机通过内部定时器设置捕捉上升、下降沿的工作方式，从而在信号输入之后捕捉上升、下降沿，再读取两时刻所对应的TAR中的值，进行处理运算之后，测量出频率等电参量，最后显示在1602上。

　　2.1 单片机单元电路

　　单片机选用TI公司的MSP430F149单片机，这款单片机具有16位总线且自带Flash[5-6]。外设和内存统一编址，寻址范围可达64 K，还可以外拓存储器，具有统一的中断管理以及丰富的片上外围模块，片内有精密硬件乘法器、两个16位定时器A和B、一个12位的A/D转换器、一个看门狗、一个比较器、一个内部DCO振荡器和两个外部时钟，支持8 MHz的时钟。同时还具有丰富的中断源，其P1口和P2口都具有中断功能。由于为Flash型，可进行编程调试和下载，且JTAG口直接与FET相连，不需另外仿真工具，并且该款单片机还可以在超低功耗模式下工作，可靠性能好。对其加强干电干扰，运行亦不受影响，适合工业级运行环境。总之，在提倡低功耗的今天，430单片机的应用十分广泛[7]。

　　单片机单元电路如 图1所示。

　　2.2 功能按键电路、显示电路

　　功能按键电路由一个独立按键组成，接P2.0，当已知输入P1.1信号为方波，且需要测量占空比时，按下按键，即可测量出方波占空比和脉冲宽度。

　　显示电路用的是1602液晶显示器，电路图如图2所示。

　　在本应用的实现中，使用单片机P1.1口作为待测信号输入端。

3 软件设计

　　该数字频率计软件程序采用模块化设计，主要包括频率测量模块、周期测量模块、占空比测量模块和脉宽测量模块。

　　主程序框图如 图3所示。

　　上电复位之后，程序便处于运行阶段，若只需测量出待测信号频率及周期，则不用按键，定时器经待测信号触发，直接捕捉相邻上升沿，并读出对应的两次TAR值，通过将两个值相减，然后采用除整取余运算，得出每一位的十进制数字，最后在显示屏上显示出相应的频率与周期。

　　若已知待测信号为方波且用户需要测量该方波的占空比及脉冲宽度，可按下独立按键，单片机程序进入方波测量程序模块，启动定时器捕捉相临上升、下降和上升沿，并读出相对应的3个TAR值，再通过类似上述求频率的方法，可得出所对应的十进制数，最后在显示屏上显示出占空比及脉冲宽度。

　　一次测量之后，程序循环，继续判断，若输入信号频率有变化，测量显示的结果也会相应变化，从而达到了实时测量信号的电参数的功能。

4 测试及分析

　　设计完成之后，分别对每个功能模块进行测试。测试方法：使用信号发生器(DG1022)和数字示波器(DS1052)对系统进行测试。系统由作者自制电源供电，函数信号发生器对系统和示波器输入同样的正弦波、三角波、方波和矩形波，通过对两者测量结果的比较，确定系统性能。表1所示为测试结果。

　　经测量可知，此频率计能测量的频率范围为1 Hz~ 1 MHz，且测量误差在0.01%之内，周期、脉宽、占空比均低于1%。

5 结论

　　该简易频率计能完成一定范围内的频率、周期、占空比和脉冲宽度[8]的测量，且具有结构简单、成本较低、功能全面的优点。该简易频率计是对电子计数器领域多功能和多用途的拓展研究[9-10]，具有一定的应用前景。

参考文献

　　[1] 郝建国，刘立新，党剑华. 基于单片机的频率计设计[J]． 西安邮电学院学报, 2003, 8(3):31-34．

　　[2] 公茂法，孙皓，吕常智. 简易数字频率计的设计与分析[J[． 山东矿业学院学报: 自然科学版, 1999,18(2):44-49．

　　[3] 林占江. 电子测量技术(第2版)[M]. 北京: 电子工业出版社, 2007.

　　[4] 周航慈. 单片机应用程序设计技术[M]. 北京:北京航空航天大学出版社, 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，邹高平. 便携式电子系统的低功耗设计[J]. 单片机与嵌入式系统应用, 2002(8):98-101.

　　[8] 刘竹琴，白泽生. 一种基于单片机的数字频率计的实现[J].现代电子技术, 2010,33(1):90-92．

　　[9] 史军，雷正红. 数字频率计的设计[J]. 河西学院学报, 2005,21(5):7-38．

　　[10] 尹海峰，尹海潮，孙树强. 频率的测量在单片机设计中的应用[J]. 科技信息(科学教研)，2008(7):37-42.