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1 引言 本頻率計的設計以AT89C51單片機為核心，利用他內部的定時(shí)／計數器完成待測信號周期／頻率的測量。單片機AT89C51內部具有2個(gè)16位定時(shí)／計數器，定時(shí)／計數器的工作可以由編程來(lái)實(shí)現定時(shí)、計數和產(chǎn)生計數溢出時(shí)中斷要求的功能。在定時(shí)器工作方式下，在被測時(shí)間間隔內，每來(lái)一個(gè)機器周期，計數器自動(dòng)加1（使用12 MHz時(shí)鐘時(shí)，每1μs加1），這樣以機器周期為基準可以用來(lái)測量時(shí)間間隔。在計數器工作方式下，加至外部引腳的待測信號發(fā)生從1到0的跳變時(shí)計數器加1，這樣在計數閘門(mén)的控制下可以用來(lái)測量待測信號的頻率。外部輸入在每個(gè)機器周期被采樣一次，這樣檢測一次從1到0的跳變至少需要2個(gè)機器周期（24個(gè)振蕩周期），所以最大計數速率為時(shí)鐘頻率的1／24（使用12 MHz時(shí)鐘時(shí)，最大計數速率為500 kHz）。定時(shí)／計數器的工作由運行控制位TR控制，當TR置1，定時(shí)／計數器開(kāi)始計數；當TR清0，停止計數。 本設計綜合考慮了頻率測量精度和測量反應時(shí)間的要求。例如當要求頻率測量結果為3位有效數字，這時(shí)如果待測信號的頻率為1 Hz，則計數閘門(mén)寬度必須大于1 000 s。為了兼顧頻率測量精度和測量反應時(shí)間的要求，把測量工作分為兩種方法： （1）當待測信號的頻率＞100 Hz時(shí)，定時(shí)／計數器構成為計數器，以機器周期為基準，由軟件產(chǎn)生計數閘門(mén)，計數閘門(mén)寬度＞1 s時(shí)，即可滿(mǎn)足頻率測量結果為3位有效數字； （2）當待測信號的頻率＜100 Hz時(shí)，定時(shí)／計數器構成為定時(shí)器，由頻率計的予處理電路把待測信號變成方波，方波寬度等于待測信號的周期。這時(shí)用方波作計數閘門(mén)，當待測信號的頻率＝100 Hz，使用12 MHz時(shí)鐘時(shí)的最小計數值為10 000，完全滿(mǎn)足測量精度的要求。 2 頻率計的量程自動(dòng)切換 使用計數方法實(shí)現頻率測量時(shí)，外部的待測信號為單片機定時(shí)／計數器的計數源，利用軟件延時(shí)程序實(shí)現計數閘門(mén)。頻率計的工作過(guò)程為：定時(shí)／計數器的計數寄存器清0，運行控制位TR置1，啟動(dòng)定時(shí)／計數器工作；運行軟件延時(shí)程序，同時(shí)定時(shí)／計數器對外部的待測信號進(jìn)行計數，延時(shí)結束時(shí)TR清0，停止計數。從計數寄存器讀出測量數據，測量數據在完成數據處理后，由顯示電路顯示測量結果。 使用定時(shí)方法實(shí)現頻率測量時(shí)，外部的待測信號通過(guò)頻率計的預處理電路變成寬度等于待測信號周期的方波，該方波同樣加至定時(shí)／計數器的輸入腳。工作高電平是否加至定時(shí)／計數器的輸入腳；當判定高電平加至定時(shí)／計數器的輸入腳，運行控制位TR置1，啟動(dòng)定時(shí)／計數器對單片機的機器周期的計數，同時(shí)檢測方波高電平是否結束；當判定高電平結束時(shí)TR清0，停止計數，然后從計數寄存器讀出測量數據。這時(shí)讀出的數據反映的是待測信號的周期，通過(guò)數據處理把周期值變換成頻率值，由顯示電路顯示測量結果。 測量結果的顯示格式采用科學(xué)計數法，即有效數字乘以10為底的冪。這里設計的頻率計用5位數碼管顯示測量結果：前3位為測量結果的有效數字；第4位為指數的符號；第5位為指數的值。采用這種顯示格式既保證了測量結果的顯示精度，又保證了測量結果的顯示范圍（0．100 Hz～9．99 MHz）。 頻率計測量量程自動(dòng)轉換的過(guò)程由頻率計測量量程的高端開(kāi)始。由于只顯示3位有效數字，測量量程的高端計數閘門(mén)不需要太寬，例如在進(jìn)入計數器的信號頻率范圍在10．0～99．9 kHz，計數閘門(mén)寬度為10 ms即可。頻率計開(kāi)始工作時(shí)使用計數方法實(shí)現頻率測量，并使計數閘門(mén)寬度為最窄，完成測量后判斷測量結果是否具有3位有效數字，如果成立，將結果送去顯示，完成測量工作；否則將計數閘門(mén)寬度擴大10倍，繼續進(jìn)行測量判斷，直到計數閘門(mén)寬度達到1 s，這時(shí)對應的進(jìn)入單片機的待測信號頻率范圍為100～999 Hz。如果測量結果仍不具有3位有效數字，頻率計則使用定時(shí)方法實(shí)現頻率測量�！� 定時(shí)方法測量的是待測信號的周期，這種方法只設一種量程，測量結果通過(guò)浮點(diǎn)數運算模塊將信號周期轉換成對應的頻率值，再將結果送去顯示。無(wú)論采用何種方式，只要完成一次測量，頻率計自動(dòng)開(kāi)始下一個(gè)測量循環(huán)，因此該頻率計具有連續測量的功能，同時(shí)實(shí)現量程的自動(dòng)轉換。 3 信號預處理電路 信號預處理電路如圖1所示，他由4級電路構成。第1級為零偏置放大器，當輸入信號為零或者為負電壓時(shí)，三極管截止，輸出高電平；當輸入信號為正電壓時(shí)，三極管導通，輸出電壓隨著(zhù)輸入電壓的上升而下降。零偏置放大器可把正負交替波形變換成單向脈沖，這使得頻率計既可以測量脈沖信號的頻率，也可以測量正弦波信號的頻率。放大器的放大能力實(shí)現了對小信號的測量，本電路可以測量幅度≥0．5 V的正弦波或脈沖波待測信號。三極管應采用開(kāi)關(guān)三極管以保證放大器具有良好的高頻響應。第2級采用帶施密特觸發(fā)器的反相器7414，他用于把放大器生成的單向脈沖變換成與TTL／CMOS電平相兼容的方波。第3級采用十進(jìn)制同步計數器74160，第2級輸出的方波加到74160的CLK，當從74160的TC輸出可實(shí)現10分頻（多個(gè)74160的級連可以進(jìn)一步擴展測頻范圍）。第4級同樣采用十進(jìn)制同步計數器74160，第3級輸出的方波加到他的CLK，當從他的Q0輸出既可實(shí)現2分頻，且其輸出為對稱(chēng)方波，方波寬度等于待測信號的周期，從而為測量信號周期提供基礎。 4 系統軟件設計 頻率計開(kāi)始工作或者完成一次頻率測量，系統軟件都進(jìn)行測量初始化。測量初始化模塊設置堆棧指針（SP）、工作寄存器、中斷控制和定時(shí)／計數器的工作方式。定時(shí)／計數器的工作首先被設置為計數器方式，即用來(lái)測量信號頻率。首先定時(shí)／計數器的計數寄存器清0，運行控制位TR置1，啟動(dòng)對待測信號的計數。計數閘門(mén)由軟件延時(shí)程序實(shí)現，從計數閘門(mén)的最小值（即測量頻率的高量程）開(kāi)始測量，計數閘門(mén)結束時(shí)TR清0，停止計數。計數寄存器中的數值經(jīng)過(guò)數制轉換程序從十六進(jìn)制數轉換為十進(jìn)制數。判斷該數的最高位，若該位不為0，滿(mǎn)足測量數據有效位數的要求，測量值和量程信息一起送到顯示模塊；若該位為0，將計數閘門(mén)的寬度擴大10倍，重新對待測信號的計數，直到滿(mǎn)足測量數據有效位數的要求。 當上述測量判斷過(guò)程直到計數閘門(mén)寬度達到1 s（對應的頻率測量范圍為100～999 Hz）時(shí)測量結果仍不具有3位有效數字，頻率計則使用定時(shí)方法測量待測信號的周期。定時(shí)／計數器的工作被設置為定時(shí)器方式，定時(shí)／計數器的計數寄存器清0，在判斷待測信號的上跳沿到來(lái)后，運行控制位TR置為1，以單片機工作周期為單位進(jìn)行計數，直至信號的下跳沿到來(lái)，運行控制位TR清0，停止計數。16位定時(shí)／計數器的最高計數值為65 535，當待測信號的頻率較低時(shí)，定時(shí)／計數器將發(fā)生溢出。產(chǎn)生溢出時(shí)，程序進(jìn)入定時(shí)器中斷服務(wù)程序，對溢出次數進(jìn)行計數。待測信號的周期由3個(gè)字節組成：定時(shí)／計數器溢出次數、定時(shí)／計數器的高8位和低8位。信號的頻率f與信號的周期T之間的關(guān)系為： f＝1／T。 完成信號的周期測量后，需要做一次倒數運算才能獲得信號的頻率。為提高運算精度，采用浮點(diǎn)數算術(shù)運算。浮點(diǎn)數由3個(gè)字節組成：第1字節最高位為數符，其余7位為階碼；第2字節為尾數的高字節；第3字節為尾數的低字節。待測信號周期的3個(gè)字節定點(diǎn)數通過(guò)截取高16位、設置數符和計算階碼轉換為上述格式的浮點(diǎn)數。然后浮點(diǎn)數算術(shù)運算對其進(jìn)行處理，獲得用浮點(diǎn)數格式表達的信號頻率值。再通過(guò)浮點(diǎn)數到BCD碼轉換模塊把用浮點(diǎn)數格式表達的信號頻率值變換成本頻率計的顯示格式，送到顯示模塊顯示待測信號的頻率值。完成顯示后，頻率計都開(kāi)始下一次信號的頻率測量。系統軟件流程圖如圖2所示。 系統軟件設計采用模塊化設計方法。整個(gè)系統由初始化模塊、顯示模塊和信號頻率頻率測量模塊等各種功能模塊組成。上電后，進(jìn)入系統初始化模塊，系統軟件開(kāi)始運行。在執行過(guò)程中，根據運行流程分別調用各個(gè)功能模塊完成頻率測量、量程自動(dòng)切換、周期測量和測量結果顯示。 5 實(shí)測結果和誤差分析 為了衡量這次設計的頻率計的工作情況和測量精度，我們對系統進(jìn)行了試驗。以南京電訊儀器廠(chǎng)制造的E312B型通用計數器為基準，用這次設計的頻率計對信號源進(jìn)行了測量，測量數據如表1所示。 如圖1信號預處理電路所示，待測信號在進(jìn)入單片機之前經(jīng)過(guò)了10×2次分頻。頻率計以進(jìn)入單片機時(shí)的信號頻率＝100 Hz為基準（即待測信號頻率為2 kHz），大于此頻率采用頻率測量，小于此頻率采用周期測量。由表1頻率測量對比表可以看出，頻率測量的測量精度大于周期測量的測量精度。 采用計數法實(shí)現頻率測量，誤差來(lái)源主要有計數誤差和閘門(mén)誤差2部分。誤差表達式為： 其中：N為計數值，t為閘門(mén)時(shí)間。 閘門(mén)時(shí)間相對誤差dt／t主要取決于單片機晶振的頻率穩定度，選擇合適的石英晶體和振蕩電路，誤差一般可＜10－6。當僅顯示3位有效數字時(shí)，該項誤差可以忽略。對于dN／N部分，無(wú)論閘門(mén)時(shí)間長(cháng)短，計數法測頻總存在1個(gè)單位的量化誤差。在表1中，待測信號頻率＞2 kHz時(shí)的誤差就來(lái)源于計數誤差。增加顯示的有效數字位數可降低該項誤差的影響。 當待測信號頻率＜2 kHz時(shí)，直接測量的是信號的周期。周期測量的誤差表達式為： 其中：dN／N為量化誤差，dτ0／τ0為單片機晶振的頻率穩定度。 進(jìn)行周期測量時(shí)進(jìn)入單片機的信號頻率＜100 Hz，使用12 MHz時(shí)鐘時(shí)的最小計數值為10 000。當僅顯示3位有效數字時(shí)，該項誤差現在也可以忽略。待測信號的周期測量值通過(guò)浮點(diǎn)數運算變換成頻率值，這時(shí)的誤差來(lái)源于浮點(diǎn)數運算和數制轉換所帶來(lái)的誤差。 6 結 語(yǔ) 介紹了一種基于單片機89C51制作的頻率計的設計方法，所制作的頻率計需要外圍器件較少，適宜用于嵌入式系統。該頻率計應用周期測量和相應的數學(xué)處理實(shí)現低頻段的頻率測量，因此很容易擴展實(shí)現信號的周期測量和占空比測量。該頻率計被應用于筆者設計的“高頻實(shí)驗裝置”之中，用來(lái)對LC振蕩器和RC振蕩器輸出信號的頻率穩定度進(jìn)行測量，取得良好的應用效果。 |
