嵌入式頻率計(jì)的設(shè)計(jì)

1、嵌入式頻率計(jì)的設(shè)計(jì) 本頻率計(jì)的設(shè)計(jì)以at89c51為核心，利用他內(nèi)部的定時(shí)計(jì)數(shù)器完成待測(cè)信號(hào)周期頻率的測(cè)量。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(lái)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。在定時(shí)器工作方式下，在被測(cè)時(shí)光間隔內(nèi)，每來(lái)一個(gè)機(jī)器周期，計(jì)數(shù)器自動(dòng)加1（用法12 mhz時(shí)鐘時(shí)，每1s加1），這樣以機(jī)器周期為基準(zhǔn)可以用來(lái)測(cè)量時(shí)光間隔。在計(jì)數(shù)器工作方式下，加至外部引腳的待測(cè)信號(hào)發(fā)生從1到0的跳變時(shí)計(jì)數(shù)器加1，這樣在計(jì)數(shù)閘門(mén)的控制下可以用來(lái)測(cè)量待測(cè)信號(hào)的頻率。外部輸入在每個(gè)機(jī)器周期被采樣一次，這樣檢測(cè)一次從1到0的跳變起碼需要2個(gè)機(jī)器周期（24個(gè)振蕩

2、周期），所以最大計(jì)數(shù)速率為時(shí)鐘頻率的124（用法12 mhz時(shí)鐘時(shí)，最大計(jì)數(shù)速率為500 khz）。定時(shí)計(jì)數(shù)器的工作由運(yùn)行控制位tr控制，當(dāng)tr置1，定時(shí)計(jì)數(shù)器開(kāi)頭計(jì)數(shù)；當(dāng)tr清0，停止計(jì)數(shù)。 本設(shè)計(jì)綜合考慮了頻率測(cè)量精度和測(cè)量反應(yīng)時(shí)光的要求。例如當(dāng)要求頻率測(cè)量結(jié)果為3位有效數(shù)字，這時(shí)假如待測(cè)信號(hào)的頻率為1 hz，則計(jì)數(shù)閘門(mén)寬度必需大于1 000 s。為了兼顧頻率測(cè)量精度和測(cè)量反應(yīng)時(shí)光的要求，把測(cè)量工作分為兩種辦法：（1）當(dāng)待測(cè)信號(hào)的頻率100 hz時(shí)，定時(shí)計(jì)數(shù)器構(gòu)成為計(jì)數(shù)器，以機(jī)器周期為基準(zhǔn)，由軟件產(chǎn)生計(jì)數(shù)閘門(mén)，計(jì)數(shù)閘門(mén)寬度1 s時(shí)，即可滿(mǎn)足頻率測(cè)量結(jié)果為3位有效數(shù)字；（2）當(dāng)待測(cè)信號(hào)的頻率

3、100 hz時(shí)，定時(shí)計(jì)數(shù)器構(gòu)成為定時(shí)器，由頻率計(jì)的予處理把待測(cè)信號(hào)變成方波，方波寬度等于待測(cè)信號(hào)的周期。這時(shí)用方波作計(jì)數(shù)閘門(mén)，當(dāng)待測(cè)信號(hào)的頻率100 hz，用法12 mhz時(shí)鐘時(shí)的最小計(jì)數(shù)值為10 000，徹低滿(mǎn)足測(cè)量精度的要求。2 頻率計(jì)的量程自動(dòng)切換用法計(jì)數(shù)辦法實(shí)現(xiàn)頻率測(cè)量時(shí)，外部的待測(cè)信號(hào)為單片機(jī)定時(shí)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)源，利用軟件延時(shí)程序?qū)崿F(xiàn)計(jì)數(shù)閘門(mén)。頻率計(jì)的工作過(guò)程為：定時(shí)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)寄存器清0，運(yùn)行控制位tr置1，啟動(dòng)定時(shí)計(jì)數(shù)器工作；運(yùn)行軟件延時(shí)程序，同時(shí)定時(shí)計(jì)數(shù)器對(duì)外部的待測(cè)信號(hào)舉行計(jì)數(shù)，延時(shí)結(jié)束時(shí)tr清0，停止計(jì)數(shù)。從計(jì)數(shù)寄存器讀出測(cè)量數(shù)據(jù)，測(cè)量數(shù)據(jù)在完成數(shù)據(jù)處理后，由顯示電路顯示測(cè)量

4、結(jié)果。用法定時(shí)辦法實(shí)現(xiàn)頻率測(cè)量時(shí)，外部的待測(cè)信號(hào)通過(guò)頻率計(jì)的預(yù)處理電路變成寬度等于待測(cè)信號(hào)周期的方波，該方波同樣加至定時(shí)計(jì)數(shù)器的輸入腳。工作高電平是否加至定時(shí)計(jì)數(shù)器的輸入腳；當(dāng)判定高電平加至定時(shí)計(jì)數(shù)器的輸入腳，運(yùn)行控制位tr置1，啟動(dòng)定時(shí)計(jì)數(shù)器對(duì)單片機(jī)的機(jī)器周期的計(jì)數(shù)，同時(shí)檢測(cè)方波高電平是否結(jié)束；當(dāng)判定高電平結(jié)束時(shí)tr清0，停止計(jì)數(shù)，然后從計(jì)數(shù)寄存器讀出測(cè)量數(shù)據(jù)。這時(shí)讀出的數(shù)據(jù)反映的是待測(cè)信號(hào)的周期，通過(guò)數(shù)據(jù)處理把周期值變換成頻率值，由顯示電路顯示測(cè)量結(jié)果。測(cè)量結(jié)果的顯示格式采納科學(xué)計(jì)數(shù)法，即有效數(shù)字乘以10為底的冪。這里設(shè)計(jì)的頻率計(jì)用5位數(shù)碼管顯示測(cè)量結(jié)果：前3位為測(cè)量結(jié)果的有效數(shù)字；第4位

5、為指數(shù)的符號(hào)；第5位為指數(shù)的值。采納這種顯示格式既保證了測(cè)量結(jié)果的顯示精度，又保證了測(cè)量結(jié)果的顯示范圍（0100 hz999 mhz）。頻率計(jì)測(cè)量量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換的過(guò)程由頻率計(jì)測(cè)量量程的高端開(kāi)頭。因?yàn)橹伙@示3位有效數(shù)字，測(cè)量量程的高端計(jì)數(shù)閘門(mén)不需要太寬，例如在進(jìn)入計(jì)數(shù)器的信號(hào)頻率范圍在100999 khz，計(jì)數(shù)閘門(mén)寬度為10 ms即可。頻率計(jì)開(kāi)頭工作時(shí)用法計(jì)數(shù)辦法實(shí)現(xiàn)頻率測(cè)量，并使計(jì)數(shù)閘門(mén)寬度為最窄，完成測(cè)量后推斷測(cè)量結(jié)果是否具有3位有效數(shù)字，假如成立，將結(jié)果送去顯示，完成測(cè)量工作；否則將計(jì)數(shù)閘門(mén)寬度擴(kuò)大10倍，繼續(xù)舉行測(cè)量推斷，直到計(jì)數(shù)閘門(mén)寬度達(dá)到1 s，這時(shí)對(duì)應(yīng)的進(jìn)入單片機(jī)的待測(cè)信號(hào)頻率范圍為

6、100999 hz。假如測(cè)量結(jié)果仍不具有3位有效數(shù)字，頻率計(jì)則用法定時(shí)辦法實(shí)現(xiàn)頻率測(cè)量。定時(shí)辦法測(cè)量的是待測(cè)信號(hào)的周期，這種辦法只設(shè)一種量程，測(cè)量結(jié)果通過(guò)浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算模塊將信號(hào)周期轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的頻率值，再將結(jié)果送去顯示。無(wú)論采納何種方式，只要完成一次測(cè)量，頻率計(jì)自動(dòng)開(kāi)頭下一個(gè)測(cè)量循環(huán)，因此該頻率計(jì)具有延續(xù)測(cè)量的功能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)量程的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。3 信號(hào)預(yù)處理電路信號(hào)預(yù)處理電路1所示，他由4級(jí)電路構(gòu)成。第1級(jí)為零偏置，當(dāng)輸入信號(hào)為零或者為負(fù)時(shí)，截止，輸出高電平；當(dāng)輸入信號(hào)為正電壓時(shí)，三極管導(dǎo)通，輸出電壓隨著輸入電壓的升高而下降。零偏置放大器可把正負(fù)交替波形變換成單向脈沖，這使得頻率計(jì)既可以測(cè)量脈沖信號(hào)的

7、頻率，也可以測(cè)量正弦波信號(hào)的頻率。放大器的放大能力實(shí)現(xiàn)了對(duì)小信號(hào)的測(cè)量，本電路可以測(cè)量幅度05 v的正弦波或脈沖波待測(cè)信號(hào)。三極管應(yīng)采納開(kāi)關(guān)三極管以保證放大器具有良好的高頻響應(yīng)。第2級(jí)采納帶施密特觸發(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電平相兼容的方波。第3級(jí)采納十進(jìn)制同步計(jì)數(shù)器74160，第2級(jí)輸出的方波加到74160的clk，當(dāng)從74160的tc輸出可實(shí)現(xiàn)10分頻（多個(gè)74160的級(jí)連可以進(jìn)一步擴(kuò)展測(cè)頻范圍）。第4級(jí)同樣采納十進(jìn)制同步計(jì)數(shù)器74160，第3級(jí)輸出的方波加到他的clk，當(dāng)從他的q0輸出既可實(shí)現(xiàn)2分頻，且其輸出為對(duì)稱(chēng)方波，方波寬度等于待測(cè)信號(hào)的周期，從

8、而為測(cè)量信號(hào)周期提供基礎(chǔ)。4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)頻率計(jì)開(kāi)頭工作或者完成一次頻率測(cè)量，系統(tǒng)軟件都舉行測(cè)量初始化。測(cè)量初始化模塊設(shè)置堆棧指針（sp）、工作寄存器、中斷控制和定時(shí)計(jì)數(shù)器的工作方式。定時(shí)計(jì)數(shù)器的工作首先被設(shè)置為計(jì)數(shù)器方式，即用來(lái)測(cè)量信號(hào)頻率。首先定時(shí)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)寄存器清0，運(yùn)行控制位tr置1，啟動(dòng)對(duì)待測(cè)信號(hào)的計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)閘門(mén)由軟件延時(shí)程序?qū)崿F(xiàn)，從計(jì)數(shù)閘門(mén)的最小值（即測(cè)量頻率的高量程）開(kāi)頭測(cè)量，計(jì)數(shù)閘門(mén)結(jié)束時(shí)tr清0，停止計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)寄存器中的數(shù)值經(jīng)過(guò)數(shù)制轉(zhuǎn)換程序從十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)。推斷該數(shù)的最高位，若該位不為0，滿(mǎn)足測(cè)量數(shù)據(jù)有效位數(shù)的要求，測(cè)量值和量程信息一起送到顯示模塊；若該位為0，將

9、計(jì)數(shù)閘門(mén)的寬度擴(kuò)大10倍，重新對(duì)待測(cè)信號(hào)的計(jì)數(shù)，直到滿(mǎn)足測(cè)量數(shù)據(jù)有效位數(shù)的要求。當(dāng)上述測(cè)量推斷過(guò)程直到計(jì)數(shù)閘門(mén)寬度達(dá)到1 s（對(duì)應(yīng)的頻率測(cè)量范圍為100999 hz）時(shí)測(cè)量結(jié)果仍不具有3位有效數(shù)字，頻率計(jì)則用法定時(shí)辦法測(cè)量待測(cè)信號(hào)的周期。定時(shí)計(jì)數(shù)器的工作被設(shè)置為定時(shí)器方式，定時(shí)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)寄存器清0，在推斷待測(cè)信號(hào)的上跳沿到來(lái)后，運(yùn)行控制位tr置為1，以單片機(jī)工作周期為單位舉行計(jì)數(shù)，直至信號(hào)的下跳沿到來(lái)，運(yùn)行控制位tr清0，停止計(jì)數(shù)。16位定時(shí)計(jì)數(shù)器的最高計(jì)數(shù)值為65 535，當(dāng)待測(cè)信號(hào)的頻率較低時(shí)，定時(shí)計(jì)數(shù)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(duì)溢出次數(shù)舉行計(jì)數(shù)。待測(cè)信號(hào)的周

10、期由3個(gè)字節(jié)組成：定時(shí)計(jì)數(shù)器溢出次數(shù)、定時(shí)計(jì)數(shù)器的高8位和低8位。信號(hào)的頻率f與信號(hào)的周期t之間的關(guān)系為： f1t。完成信號(hào)的周期測(cè)量后，需要做一次倒數(shù)運(yùn)算才干獲得信號(hào)的頻率。為提高運(yùn)算精度，采納浮點(diǎn)數(shù)算術(shù)運(yùn)算。浮點(diǎn)數(shù)由3個(gè)字節(jié)組成：第1字節(jié)最高位為數(shù)符，其余7位為階碼；第2字節(jié)為尾數(shù)的高字節(jié)；第3字節(jié)為尾數(shù)的低字節(jié)。待測(cè)信號(hào)周期的3個(gè)字節(jié)定點(diǎn)數(shù)通過(guò)截取高16位、設(shè)置數(shù)符和計(jì)算階碼轉(zhuǎn)換為上述格式的浮點(diǎn)數(shù)。然后浮點(diǎn)數(shù)算術(shù)運(yùn)算對(duì)其舉行處理，獲得用浮點(diǎn)數(shù)格式表達(dá)的信號(hào)頻率值。再通過(guò)浮點(diǎn)數(shù)到bcd碼轉(zhuǎn)換模塊把用浮點(diǎn)數(shù)格式表達(dá)的信號(hào)頻率值變換成本頻率計(jì)的顯示格式，送到顯示模塊顯示待測(cè)信號(hào)的頻率值。完成顯

11、示后，頻率計(jì)都開(kāi)頭下一次信號(hào)的頻率測(cè)量。系統(tǒng)軟件流程圖2所示。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采納模塊化設(shè)計(jì)辦法。囫圇系統(tǒng)由初始化模塊、顯示模塊和信號(hào)頻率頻率測(cè)量模塊等各種功能模塊組成。上電后，進(jìn)入系統(tǒng)初始化模塊，系統(tǒng)軟件開(kāi)頭運(yùn)行。在執(zhí)行過(guò)程中，按照運(yùn)行流程分離調(diào)用各個(gè)功能模塊完成頻率測(cè)量、量程自動(dòng)切換、周期測(cè)量和測(cè)量結(jié)果顯示。5 實(shí)測(cè)結(jié)果和誤差分析為了衡量這次設(shè)計(jì)的頻率計(jì)的工作狀況和測(cè)量精度，我們對(duì)系統(tǒng)舉行了實(shí)驗(yàn)。以南京電訊儀器廠創(chuàng)造的e312b型通用計(jì)數(shù)器為基準(zhǔn)，用這次設(shè)計(jì)的頻率計(jì)對(duì)信號(hào)源舉行了測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示。1信號(hào)預(yù)處理電路所示，待測(cè)信號(hào)在進(jìn)入單片機(jī)之前經(jīng)過(guò)了102次分頻。頻率計(jì)以進(jìn)入單片機(jī)時(shí)的信

12、號(hào)頻率100 hz為基準(zhǔn)（即待測(cè)信號(hào)頻率為2 khz），大于此頻率采納頻率測(cè)量，小于此頻率采納周期測(cè)量。由表1頻率測(cè)量對(duì)照表可以看出，頻率測(cè)量的測(cè)量精度大于周期測(cè)量的測(cè)量精度。采納計(jì)數(shù)法實(shí)現(xiàn)頻率測(cè)量，誤差來(lái)源主要有計(jì)數(shù)誤差和閘門(mén)誤差2部分。誤差表達(dá)式為：其中：n為計(jì)數(shù)值，t為閘門(mén)時(shí)光。閘門(mén)時(shí)光相對(duì)誤差dtt主要取決于單片機(jī)晶振的頻率穩(wěn)定度，挑選合適的石英晶體和振蕩電路，誤差普通可106。當(dāng)僅顯示3位有效數(shù)字時(shí)，該項(xiàng)誤差可以忽視。對(duì)于dnn部分，無(wú)論閘門(mén)時(shí)光長(zhǎng)短，計(jì)數(shù)法測(cè)頻總存在1個(gè)單位的量化誤差。在表1中，待測(cè)信號(hào)頻率2 khz時(shí)的誤差就來(lái)源于計(jì)數(shù)誤差。增強(qiáng)顯示的有效數(shù)字位數(shù)可降低該項(xiàng)誤差的影響。當(dāng)待測(cè)信號(hào)頻率2 khz時(shí)，挺直測(cè)量的是信號(hào)的周期。周期測(cè)量的誤差表達(dá)式為：其中：dnn為量化誤差，d00為單片機(jī)晶振的頻率穩(wěn)定度。舉行周期測(cè)量時(shí)進(jìn)入單片機(jī)的信號(hào)頻率100 hz，用法12 mhz時(shí)鐘時(shí)的最小計(jì)數(shù)值為10 000。當(dāng)僅顯示3位有效數(shù)字時(shí)，該項(xiàng)誤差現(xiàn)在也可以忽視。待測(cè)信號(hào)的周期測(cè)量值通過(guò)浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算變換成頻率值，這時(shí)的誤差