基于單片機的頻率的幾種測量方法

柯龍章，楊宇卿

（鄂東職業(yè)技術學院，湖北 黃岡 438000）

頻率測量是電子測量領域中最基本的測量之一。傳統(tǒng)的采用中小規(guī)模數(shù)字電路構成的測頻儀器，一般說來體積大，精度低，而高精度的專業(yè)頻率計，則計數(shù)實施方案復雜，價格昂貴。由于單片機具有控制和數(shù)據(jù)處理能力。因此用它構成的測頻儀器不但運算方便而且可以大大簡化傳統(tǒng)的硬件電路。

當前電子測量領域中頻率的測量方法眾多，使用最廣泛的就是傳統(tǒng)的直接測頻法和測周法。隨著現(xiàn)代單片機技術的發(fā)展，各種測量方法均可由單片機實現(xiàn)，而其中等精度測頻法是現(xiàn)代頻率測量方法中最先進的測量方法。它應用廣泛，設計簡單，便于操作，已得到廣泛的應用。

1 頻率測量概述

在我們的生活中，周期性現(xiàn)象十分普遍，如各種周而復始的旋轉(zhuǎn)運動，往復運動，各種傳感器和測量電路變換后的周期性脈沖等。周期性過程重復出現(xiàn)一次所需要的時間稱為“周期”，記為T（單位是s）；單位時間內(nèi)周期性過程重復出現(xiàn)的次數(shù)稱為“頻率”，記為f（單位是Hz）。周期與頻率互為倒數(shù)關系

f=1/T

因此，f和T只要測出其中一個，便可取倒數(shù)而求得另一個。

頻率的測量方法可分為模擬法和記數(shù)法兩類。記數(shù)法具有測量精度高、速度快、操作簡便、直接顯示數(shù)字、便于與微機結合實現(xiàn)測量過程自動化等一體化等突出優(yōu)點，是目前最好的測頻方法，而模擬法因為簡單經(jīng)濟，有些場合仍然采用。

2 直接方式測頻

直接方式測頻的一般原理框圖如圖1所示。它是利用計數(shù)器在閘門G開啟期間對輸入信號的周信號的頻率可表示為：

fx=N/Tg

式中，閘門時間寬度Tg由晶體振蕩器產(chǎn)生的標準頻率f0經(jīng)過n級10分頻得到，即

圖1 直接方式測頻原理框圖

可見實現(xiàn)直接記數(shù)法必須具備兩個硬件條件：①控制閘門關閉的定時電路。②對被測信號變化次數(shù)記數(shù)的計數(shù)器。充分利用8031內(nèi)部2個16位定時/計數(shù)器就能滿足上述條件，將其中一個作為定時器控制閘門時間T，一個作為計數(shù)器用。對fx的變化次數(shù)直接記數(shù)得到N，便可求出被測頻率fx。

由于閘門時間是固定的，所以對于任意的fx卻不能保證在Tg時間內(nèi)正好有N個Tx，因此會產(chǎn)生最大±1個Tx的量化誤差dN。這樣，可得到直接方式測頻的相對誤差為：

fx=dN/N+（df0/f0）

其中df0/f0為晶體振蕩器的頻率準確度，通?？蛇_10-6～10-8；dN/N為計數(shù)值的相對誤差。當輸入信號頻率fx很低時，由于閘門時間有限而測得的N很小，因此，使得測頻誤差相應增大，測量精度也隨之降低。直接記數(shù)法僅適用于高頻測量。

3 周期法測頻

為了減小測量低頻時的±1誤差，提高測量準確度，可以采用周期測頻法。即將被測信號一個周期的時間作為閘門時間，對時鐘脈沖進行記數(shù)。其原理圖如圖2所示。

圖2 周期法測頻原理圖

同樣實現(xiàn)該方法必須具備兩個條件：①具有使閘門時間等于被測信號一個周期的時間控制電路。②具有對時鐘信號變化次數(shù)進行記數(shù)的計數(shù)器。用單片機實現(xiàn)周期法測頻不需要任何附加電路，只要使單片機的一個定時/計數(shù)器工作在定時方式，此時該定時器對單片機的標準機器周期TC進行記數(shù)。同時將fx引入P3口的一條信號線，編程監(jiān)控該信號線的狀態(tài)。使定時器的定時時間等于被測信號一個周期的時間即可。

由Tx=NTc誤差傳遞公式得：

因為

顯然在fx一定時，Tx越大，±1誤差越小，所以周期測頻法適用于低頻測量。

4 等精度測頻

等精度數(shù)字測頻的基本框圖如圖3所示。圖中的閘門G1、G2分別用來控制輸入信號周期計數(shù)和閘門時間寬度計時。其中，閘門G1與輸入信號同步，這樣可使計數(shù)器N1的量化誤差dN1=0。計數(shù)器N2對標準時標信號周期Tc進行計數(shù)，并以此來測量閘門寬度Tg。其輸入信號頻率可表示為：

fx=N1/Tg=N1/（TcN2）

標準時標信號也由晶體振蕩器產(chǎn)生，它具有足夠的周期穩(wěn)定度，可看作常數(shù)。因此，fx的相對誤差為：

其中dN2為計數(shù)器N2產(chǎn)生的量化誤差，最大為±1個Tc。在實際設計中，選擇適當?shù)臅r標周期Tc和閘門寬度Tg可使N2始終足夠大，并在fx的全頻段范圍內(nèi)得到足夠多的有效位數(shù)的顯示結果。

圖3 等精度測頻基本框圖

5 等精度頻率測量方法的單片機實現(xiàn)

利用AT89S51系列的單機外部中斷INT0作為測試信號輸入口，P1口通過UN2803驅(qū)動段碼，P2.0-P2.5控制位碼。

電路如圖4所示。利用單片機中T0、T1兩個定時/計數(shù)器分別對被測信號和標準時標進行同步計數(shù)，當被測信號為Nx個周期后，讀出標準時標計數(shù)器中的值Ns，則輸入信號頻率可表示為：

fx=Nx/Ts

Ts為標準時標周期，對于12MHz的晶振單片機，TS=fosc/12=1μS，它具有足夠的穩(wěn)定度，可視為常數(shù)。因此，fx的相對誤差為：dfx/fx=dNx/Nx-dNs/Ns，當計數(shù)器T1為Nx（傳統(tǒng)測頻方式Nx只能等于1）個完整周期時產(chǎn)生中斷，這時，dNX=0，有dfx/fx=-dNs/Ns，因此，實際運用中，利用AT89S51單片機豐富的內(nèi)部資源，通過軟件設計，當計數(shù)器T0產(chǎn)生溢出時，請求T1計數(shù)器中斷，這樣就能保證比傳統(tǒng)測頻精度高許多。

圖4 電路結構圖

6 結語

以上幾種測量方法中，等精度頻率測量精度最高，它在整個被測頻率范圍內(nèi)都能達到相同的測量精度，而與被測信號頻率大小無關。雖然它的測量控制相對比較復雜，但如果在單片機控制測量系統(tǒng)中合理地使用中斷、定時計數(shù)器，以及正確準時讀出計數(shù)器的值，那么就可以在不增加控制器件的情況下實現(xiàn)較高精度的等精度頻率測量。

［1］李春樹.基于AT89C51單片機的的等精度數(shù)顯頻率計［J］.零陵學院學報，2004，（3）.

［2］鄧旭升.使用單片機測頻的四種方法分析——兼談等精度測頻法的實現(xiàn)［J］.測試技術學報，2006，（2）.

［3］宋立新.準精度多周期同步測頻法級實現(xiàn)［J］.哈爾濱理工大學學報，2004，（4）.

［4］楊冠群.以周期滑動擴展的測周法實現(xiàn)等精度的頻率測量［J］.電子技術應用，2002，（2）：41-43.