基于單片機(jī)的等精度測頻法及其應(yīng)用研究

馬惠鋮

（延安大學(xué)西安創(chuàng)新學(xué)院 理工系，陜西 西安 710100）

基于單片機(jī)的等精度測頻法及其應(yīng)用研究

馬惠鋮

（延安大學(xué)西安創(chuàng)新學(xué)院 理工系，陜西 西安 710100）

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，測頻技術(shù)有了相當(dāng)大的發(fā)展，但不管是何種測頻方法，±1個(gè)計(jì)數(shù)誤差始終是限制測頻精度進(jìn)一步提高的一個(gè)重要因素.等精度測頻不同于普通的測頻法和測周法，它的閘門時(shí)間是被測信號周期的整數(shù)倍，從而消除了±1誤差，達(dá)到了在整個(gè)測試頻段的等精度測量.本文提出了一種基于單片機(jī)的等精度測頻法，分析對比得出了等精度測頻法對于帶寬很大的頻率信號具有很高的測量精度.

等精度；誤差；頻率；單片機(jī)

1 引言

在電子技術(shù)中［1］，頻率是最基本的參數(shù)之一，并且與許多電參量的測量方案、測量結(jié)果都有十分密切的關(guān)系，因此，頻率的測量就顯得更為重要.測量頻率的方法有多種，其中電子計(jì)數(shù)器測量頻率具有精度高、使用方便、測量迅速，以及便于實(shí)現(xiàn)測量過程自動化等優(yōu)點(diǎn)，是頻率測量的重要手段之一，因此數(shù)字頻率計(jì)是計(jì)算機(jī)、通訊設(shè)備、音頻視頻等科研生產(chǎn)領(lǐng)域不可缺少的測量儀器.電子計(jì)數(shù)器測頻有兩種方式：一是直接測頻法，即在一定閘門時(shí)間內(nèi)測量被測信號的脈沖個(gè)數(shù)；二是間接測頻法，如周期測頻法.直接計(jì)數(shù)法適用于高頻信號的頻率測量，周期測頻法適用于低頻信號的頻率測量.另外還有一種混合測頻法，是將一被測信號劃分成具體的高頻段和低頻段，然后在分別用直接計(jì)數(shù)法和周期測頻法測量，不過這幾種方法在精度測量上不管怎樣都會有一定的±1誤差［2］，而等精度測頻法則是一種不會產(chǎn)生±1誤差的測頻法，因此，在測頻精度上，等精度測頻法高于其他幾種測頻方法.

2 基于單片機(jī)的等精度測頻法

2.1 等精度測頻法的原理

其原理框圖如圖2-1所示.

計(jì)數(shù)器1，2的閘門時(shí)間是相等的，T'為閘門導(dǎo)通的預(yù)置時(shí)間，可以根據(jù)需要設(shè)置.但是T'不一定是Tx的整數(shù)倍，因此必須通過同步及門控電路控制閘門的實(shí)際導(dǎo)通時(shí)間T'使它為Tx的整數(shù)倍.這樣在相同的時(shí)間T內(nèi)計(jì)數(shù)器1，2分別對fx，fc計(jì)數(shù)，其結(jié)果為Nx=Tfx，Nc=Tfc，因此，fx=Nxfc/Nc，那么

由于T為Nx周期的整數(shù)倍，因而式中第一項(xiàng)Nx的正負(fù)1誤差為0，即△Nx/Nx=0，第三項(xiàng)為頻率準(zhǔn)確度，若忽略該項(xiàng)誤差，則

圖2-1 等精度測頻法的原理框圖

顯然r尺與計(jì)數(shù)器2對fc計(jì)數(shù)產(chǎn)生的正負(fù)1誤差有關(guān)，而與fx無關(guān).

由式（2-2）可看出測量頻率的相對誤差與被測信號頻率的大小無關(guān)，僅與閘門時(shí)間和標(biāo)準(zhǔn)信號頻率有關(guān).閘門時(shí)間越長，標(biāo)準(zhǔn)頻率越高測頻的相對誤差就越小.標(biāo)準(zhǔn)頻率可由穩(wěn)定性好，精度高的高頻率晶振產(chǎn)生，在保證測量精度不變的前提下，提高標(biāo)準(zhǔn)信號頻率，可使閘門時(shí)間縮短，即提高測試速度［3］.

表2-1 閘門時(shí)間與標(biāo)準(zhǔn)頻率的關(guān)系

表2-1為標(biāo)準(zhǔn)信號頻率在10KHZ和100MHZ時(shí)閘門時(shí)間與最大允許誤差的對應(yīng)關(guān)系：

等精度測頻法的閘門時(shí)間不是固定值，而是被測信號周期的整數(shù)倍，即與被測信號同步.因此排除了對被測信號計(jì)數(shù)所產(chǎn)生的1個(gè)周期誤差，并且達(dá)到了在整個(gè)測試頻段的等精度測量.

在測量過程中，有兩個(gè)計(jì)數(shù)器分別對標(biāo)準(zhǔn)信號和被測信號同時(shí)計(jì)數(shù).首先給出閘門開啟信號（預(yù)置閘門上升沿），此時(shí)計(jì)數(shù)器并不開始計(jì)數(shù).而是等到被測信號的上升沿到來時(shí)，計(jì)數(shù)器才真正開始計(jì)數(shù)［4］.然后預(yù)置閘門關(guān)閉信號（下降沿到時(shí)），計(jì)數(shù)器并不立即停止計(jì)數(shù)，而是等到被測信號的上升沿到來時(shí)才開始結(jié)束計(jì)數(shù)，完成一次測量過程.

2.2 基于單片機(jī)的等精度頻率計(jì)

等精度頻率計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)共包括五大模塊：單片機(jī)控制模塊、電源模塊、放大整形模塊、分頻模塊及顯示模塊.

（1）單片機(jī)控制模塊：以AT89C51單片機(jī)為控制核心，來完成它待測信號的計(jì)數(shù)，譯碼，和顯示以及對分頻比的控制.利用其內(nèi)部的定時(shí)/計(jì)數(shù)器完成待測信號周期/頻率的測量［4］.單片機(jī)AT89C51內(nèi)部具有2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，定時(shí)/計(jì)數(shù)器的工作可以由編程來實(shí)現(xiàn)定時(shí)、計(jì)數(shù)和產(chǎn)生計(jì)數(shù)溢出時(shí)中斷要求的功能.（因?yàn)锳T89C51所需外圍元件少，擴(kuò)展性強(qiáng)，測試準(zhǔn)確度高.）

（2）電源模塊：為整個(gè)系統(tǒng)提供合適又穩(wěn)定的電源，主要為單片機(jī)、信號調(diào)理電路以及分頻電路提供電源，電壓要求穩(wěn)定、噪聲小及性價(jià)高的電源.

（3）放大整形模塊：放大電路是對待測信號的放大，降低對待測信號幅度的要求.整形電路是對一些不是方波的待測信號轉(zhuǎn)化成方波信號，便于測量.

（4）分頻模塊：考慮單片機(jī)外部計(jì)數(shù)，使用12MHz時(shí)鐘時(shí)，最大計(jì)數(shù)速率為500kHz，因此需要外部分頻.分頻電路用于擴(kuò)展單片機(jī)頻率測量范圍，并實(shí)現(xiàn)單片機(jī)頻率測量使用統(tǒng)一信號，可使單片機(jī)測頻更易于實(shí)現(xiàn)，而且也降低了系統(tǒng)的測頻誤差.可用74HC4017進(jìn)行外部十分頻.

（5）顯示模塊：利用LCD1602液晶顯示器顯示待測信號的頻率藍(lán)底白字，標(biāo)準(zhǔn)型16X2液晶顯示字符模塊（背光/藍(lán)屏）1602采用標(biāo)準(zhǔn)的16腳接口，是屏顯驅(qū)動模塊，工業(yè)字符型液晶，能夠同時(shí)顯示16x02即32個(gè)字符.1602液晶也叫1602字符型液晶它是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號等的點(diǎn)陣型液晶模塊它有若干個(gè)5X7或者5X11等點(diǎn)陣字符位組成，每個(gè)點(diǎn)陣字符位都可以顯示一個(gè)字符.

綜合以上頻率計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)有單片機(jī)控制模塊、電源模塊、放大整形模塊、分頻模塊及顯示模塊等組成，頻率計(jì)的總體設(shè)計(jì)框圖如圖2-2.

圖2-2 等精度頻率計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

3 總體電路圖

硬件電路主要分為信號轉(zhuǎn)換電路、分頻電路、數(shù)據(jù)選擇電路、單片機(jī)系統(tǒng)和顯示電路五部分.其總體電路設(shè)計(jì)如圖3-1所示.

圖3-1 總體電路圖

此電路通過仿真分析達(dá)到了系統(tǒng)要求.等精度測頻法比之直接計(jì)數(shù)法、周期測頻法和混合測頻法，不存在正負(fù)1誤差，可以讓人們直接得到精確度很高的頻率.

4 結(jié)束語

等精度測頻法是利用單片機(jī)的數(shù)據(jù)處理功能，采用雙計(jì)數(shù)器對fx，fc分別進(jìn)行計(jì)數(shù)，使測頻誤差不隨被測信號頻率變化的方法，因而這樣就消除了正負(fù)1誤差，使測頻更加準(zhǔn)確可靠.

〔1〕宋立新.準(zhǔn)等精度多周期同步測頻法及實(shí)現(xiàn)［J］.哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，4（4）：20-21.

〔2〕孫涵芳，徐愛卿.MCS-51/96單片機(jī)的原理及應(yīng)用.北京：北京航空學(xué)院出版社，1988.37-47，66-72.

〔3〕鄧旭升.使用單片機(jī)測頻的四種方法分析—兼談等精度測頻法的實(shí)現(xiàn)［J］.測試技術(shù)學(xué)報(bào)，1996，10（2）：391-395.

〔4〕周瀾景.基于PROTEUS的電路與單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真［M］.北京：北京航空航天大出版社，2006.98-102.

TP29

A

1673-260X（2015）05-0043-02

陜西省教育廳自然科學(xué)類專項(xiàng)科研計(jì)劃資助項(xiàng)目（14JK2170）