便携式多功能频率计的设计与实现

曹新建，施 雷

(长江大学机械工程学院，湖北荆州 434200)

0 引言

测量频率的方法主要分为分频法测量、外部中断测量和计数器测量。随着科技的不断发展，频率计作为测量频率的仪器已广泛应用于电路信号测量、电机控制、开关电源选频和时钟频率测量等领域，且基于频率计组成的各种测量仪器、控制设备、实时监测系统也已应用到国计民生的各个方面[1-2]。其中数字频率计作为一种最基本的测量仪器以其测量精度高、速度快、操作简便、数字显示等特点被广泛应用。然而大多数频率计是基于FPGA或者元件可编程逻辑门阵列进行设计，虽然具有采样速度快、数据处理快等优点，但是其功能较为单一、成本较高，上手难度较大，且体积较大，不便携带[3]。

本文基于Cortex-M0内核，结合外部中断计数法与定时器计数法，根据模块化与程序化设计理念，采用C语言编程，设计了高精度便携式多功能频率计。该系统采用单片机STM32F103C6T6进行模拟信号的处理与方波的产生，可实现50 mV～30 V的方波、正弦波等信号测量，测量范围最小1 Hz，最大25 MHz，可产生任意占空比频率的方波，方波频率最小1 Hz，最大1 MHz。

1 系统总体设计与工作原理

系统主要包括电源电路、信号放大与整形电路、按键电路、STM32工作电路、显示电路、方波放大电路等。控制器采用STM32系列中低功耗高性能芯片STM32F103C6T6，用于完成数字频率计周期的测量，实现对频率和占空比的测量。使用STM32自带的高级定时器，可产生不同频率、不同占空比的方波。系统总体框图如图1所示。

1.1 频率测量与频率计数

频率计数采用STM32定时器外部计数功能，每检测到1个脉冲，计数器加1[4]；频率与周期的测量采用STM32外部中断法与定时计数器结合法，采用定时器的捕获功能来获取频率的占空比。为了快速、精准测量高频和低频信号，系统针对不同频率，选择不同闸门时间，可以更加精准快速地获取频率，具体公式如下：

(1)

式中：T为闸门时间，s；f为实际测量频率，Hz。

1.2 方波产生

STM32的定时器可以产生方波，为了增加方波占空比的细分数，需对定时器的分频系数PSC、重装载值ARR进行相关配置。其中PSC决定方波的最大频率，ARR决定方波占空比调节灵敏度。针对主频72 MHz的单片机，最优方波信号配置如下：

(2)

式中：PSC为定时器的预分频系数，Hz；f为测量频率，Hz；x为频率系数。

(3)

(4)

式中：ARR为方波的重装载值；t为重装载值系数。

(5)

2 硬件电路设计

2.1 电源电路

本设计采用TPS5430稳压芯片与AMS1117-3.3稳压芯片，分别提供5 V 电压、3.3 V电压[5-6]。系统电源电路如图2所示。可接入12～36 V直流电压，经电容滤波，TPS5430 稳压、电感稳流后输出5 V电压[7]，经AMS1117-3.3输出3.3 V电压。12 V电压用于调节方波输出的幅值，5 V电压用于显示装置，3.3 V用于单片机工作。

图2 电源电路图

2.2 信号放大与整形电路

信号放大电路主要由SS8050三极管构成，整形电路主要由TLV3501比较器和稳压二极管构成。SS8050是常用的NPN型二极管[8]，与电阻和电容组成共发射极放大电路，将输入的正弦波、方波进行同向放大，经整形电路后将输出稳定的3.3 V方波。整个信号处理电路接入5 V电压，当输入信号幅值过大时，将输入信号控制在5 V之内。具体信号处理电路图如图3和图4所示。

图3 信号放大电路

图4 信号整形与稳压电路

2.3 方波放大电路

方波放大电路主要由PC817光电耦合器和SS8050三极管构成，PC817将单片机输出的方波与方波驱动器进行隔离[9-10]，通过滑动变阻器调节方波峰值电压。方波放大电路图如图5所示。

图5 方波放大电路

3 系统软件设计

由STM32F103组成微机系统，系统软件的功能主要包括实现数据显示、键盘处理、模式切换、测量数据的读取和处理。样机面板主要由5个按键和2个4位LED数码管组成。按键可以进行功能的选择和设置，系统上电后，默认为频率测量模式，测量数据直接在LED数码管上显示。本便携式频率计的软件主程序流程图如图6所示。

图6 主程序流程图

3.1 频率获取

频率获取采用外部中断与定时器外部计数结合法，在频率小于10 kHz时，采用外部中断计数法更准确，在频率大于10 kHz、小于25 MHz时，采用定时器外部计数法更准确。采用STM32定时器捕获功能获取频率占空比，具体流程如图7所示。

图7 系统频率测量流程图

3.2 方波发生器

便携式频率计自带一路信号发生器，可稳定产生1 Hz～1 MHz的方波，通过按键调整方波频率、占空比，具体流程如图8所示。

图8 方波产生流程图

修改PSC与ARR的值改变方波的频率，修改N值改变方波的占空比，占空比是方波重要参数之一，具体公式如式(6)所示。

D=[ARR÷(100÷N)]×100%

(6)

式中：D为方波占空比；N为方波高电平计数个数，且0

4 系统测试

4.1 频率检测测试

完成软件设计与硬件设计后，对样机进行测试，测量内容以实际频率100 Hz和10 kHz方波为例，占空比从20%到90%进行测试。在测试过程中，随机获取数据，提高数据的有效性。测试数据如表1和表2所示。

表1 方波测试(100 Hz)

表2 方波测试(10 kHz)

由表1和表2测试数据可以看出，采用外部中断与定时器外部计数结合法，测量10 kHz方波的频率，测量误差基本为0，总体测量误差为1 Hz，占空比误差0.01。样机测试图如图9所示。

(a)100 Hz测量

(b)100 kHz测试图9 样机测试图

4.2 方波输出测试

便携式多功能频率计可输出1 Hz～1 MHz的方波，占空比为10%～90%，实验以100 Hz和10 kHz为例，测试结果如表3和表4所示。

表3 方波输出(100 Hz)

表4 方波输出(10 kHz)

在完成占空比测试的基础上，对输出频率的幅值进行测试，依次测量频率幅值为3.3、4.5、5.5、6.5、7.5、8.5 V下10 Hz～100 kHz的频率测试，测试结果如表5所示。数据显示，便携式多功能频率计输出10 kHz的频率输出精度几乎零误差，总体输出误差为0.1 Hz，占空比精度达到0.1。

表5 方波输出测试表

具体的测试图如图10 所示。

图10 方波输出示波器显示图

5 结束语

本文完成了便携式多功能频率计系统设计，包括电源电路设计、信号处理电路设计、波形放大电路设计、软件设计等，并运用示波器对系统平台进行测试和分析。实验得出以下结论：

(1)系统可测量幅值在3.3～5.5 V，频率在1 Hz～1 MHz的方波、正弦波等信号，测量误差达到0.1 Hz。

(2)系统可产生幅值在3.3～8.5 V，频率在1 Hz～1 MHz的方波，且方波占空比可以通过按键进行调节。