基于單片機(jī)的等精度數(shù)字測(cè)頻裝置的原理及實(shí)現(xiàn)

1、基于單片機(jī)的等精度數(shù)字測(cè)頻裝置的原理及實(shí)現(xiàn)p應(yīng)用與設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的等精度數(shù)字測(cè)頻裝置的原理及實(shí)現(xiàn)武漢大學(xué)陳一新AnEqual-PrecisionDigitalFrequencyMeterBasedonMonlithicMicrocomputer£ÈÅιÉØÉÎ摘要提出了一種基于單片機(jī)的等精度數(shù)字測(cè)頻裝置的實(shí)現(xiàn)方案"介紹了利用單片機(jī)的內(nèi)部計(jì)數(shù)器和程序運(yùn)算功能進(jìn)行等精度頻率測(cè)量和顯示的實(shí)現(xiàn)方法"給出了測(cè)量原理和裝置的設(shè)計(jì)思想最后討論了裝置的性能指標(biāo)"關(guān)鍵詞單片機(jī)等精度分類號(hào)&#

2、180;-“測(cè)頻浮點(diǎn)運(yùn)算文章編號(hào)”文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼¢傳統(tǒng)的數(shù)字頻率計(jì)具有位或更多位的數(shù)碼顯示位數(shù)"這些頻率計(jì)在測(cè)量高頻信號(hào)時(shí)能夠達(dá)到足夠高的測(cè)量精度但在測(cè)量低頻信號(hào)時(shí)其測(cè)量結(jié)果的有效位數(shù)將會(huì)減少精度也會(huì)相應(yīng)降低有時(shí)不得不進(jìn)行周期測(cè)量因?yàn)閭鹘y(tǒng)的頻率計(jì)采用的是直接測(cè)頻法"如果輸入信號(hào)頻率的動(dòng)態(tài)范圍較大為了保證其測(cè)量精度就需要頻繁地人工切換測(cè)頻和測(cè)周方式"而這兩種方式的顯示單位又不同這就給觀察頻率的連續(xù)變化帶來極大的不便"而本文提出的基于單片機(jī)的等精度數(shù)字測(cè)頻裝置是利用單片機(jī)的內(nèi)部計(jì)數(shù)器和程序運(yùn)算功能來進(jìn)行等精度頻率測(cè)量和顯示的因此不需要其它的測(cè)量輔助電路

3、"當(dāng)輸入信號(hào)頻率大幅度變化時(shí)該測(cè)量裝置能以相同的有效位數(shù)來測(cè)量和顯示信號(hào)頻率及其變化"nT0g=10/f由于閘門時(shí)間是固定的所以對(duì)于任意的ÆØ卻不能保證在´Ç時(shí)間內(nèi)正好有®個(gè)´Ø因此會(huì)產(chǎn)生最大?個(gè)´Ø的量化誤差Ä®"這樣可得到直接方式測(cè)頻的相對(duì)誤差為ÄÆÆ®®ÄÆÆØØÄ其中Ä通?？?#198;Æ為晶體振蕩器的頻率準(zhǔn)確度達(dá)*&#

4、196;®®為計(jì)數(shù)值的相對(duì)誤差"當(dāng)輸入信號(hào)頻率ÆØ很低時(shí)由于閘門時(shí)間有限而測(cè)得的®很小因此使得測(cè)頻誤差相應(yīng)增大測(cè)量精度也隨之降低"這是直接測(cè)頻方式的固有缺陷"等精度數(shù)字測(cè)頻原理等精度數(shù)字測(cè)頻的基本框圖如圖所示"圖中直接方式測(cè)頻原理直接方式測(cè)頻的一般原理框圖如圖所示"它的閘門§!§分別用來控制輸入信號(hào)周期計(jì)數(shù)和閘門時(shí)間寬度計(jì)時(shí)"其中閘門§與輸入信號(hào)同步這樣可使計(jì)數(shù)器®®的量化誤差Ä"計(jì)數(shù)器®對(duì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)標(biāo)信號(hào)周期

5、´Ã進(jìn)行計(jì)數(shù)并以此來測(cè)量實(shí)際的閘門寬度´Ç"其輸入信號(hào)的頻率可表示為fx=N1/T1/(TcN2)g=N是利用計(jì)數(shù)器在閘門§開啟期間對(duì)輸入信號(hào)的周期進(jìn)行計(jì)數(shù)來完成測(cè)頻的"若設(shè)計(jì)數(shù)值為®則輸入信號(hào)的頻率可表示為/Tfx=Ng標(biāo)準(zhǔn)時(shí)標(biāo)信號(hào)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ÆØ的相對(duì)誤差為式中閘門時(shí)間寬度´Ç由晶體振蕩器產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)頻率Æ即經(jīng)過Î級(jí)分頻得到圖直接方式數(shù)字測(cè)頻原理圖等精度數(shù)字測(cè)頻原理5國外電子元器件6年第”期年”月&#

6、196;fx/fx=ÄN1/N1-ÄN2/N2=-(ÄN2/N2)允許"當(dāng)´計(jì)數(shù)滿溢出時(shí)可在Ô時(shí)刻產(chǎn)生´中斷記錄自身的中斷次數(shù)Î再次開放©®´的中斷允許"´溢出后將從開始繼續(xù)計(jì)數(shù)直到Ô“時(shí)刻由輸入信其中Ä®為計(jì)數(shù)器®產(chǎn)生的量化誤差最大為在實(shí)際設(shè)計(jì)中選擇適當(dāng)?shù)臅r(shí)標(biāo)周期´Ã和?個(gè)´Ã"閘門寬度´Ç可使®Ø的全頻段始終足夠大并在Æ范圍

7、內(nèi)得到足夠多的有效位數(shù)的顯示結(jié)果"號(hào)產(chǎn)生第二次©®´中斷然后關(guān)閉´和´以完成一次測(cè)量過程"´中的計(jì)數(shù)值代表了輸入信號(hào)完整的®個(gè)周期"設(shè)´中的/剩余0讀數(shù)為®"則被測(cè)信號(hào)的頻率可由下式計(jì)算ƓήÆÏÓýخ»“基于單片機(jī)的等精度數(shù)字測(cè)頻方案-£³系列單片機(jī)具有兩個(gè)位的定時(shí)器計(jì)數(shù)器´和´它們可分別代替圖中的計(jì)數(shù)器

8、74;和®單片機(jī)的外部中斷功能可方便地實(shí)現(xiàn)閘門開關(guān)與被測(cè)信號(hào)的跳變沿同步利用單片機(jī)的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力可編制相應(yīng)的乘除法程序并實(shí)現(xiàn)測(cè)量結(jié)果的等精度顯示"等精度數(shù)字測(cè)頻裝置的最簡(jiǎn)方案如圖“所示"其軟件流程和波形時(shí)序分別如圖”和圖所示"設(shè)在Ô時(shí)刻系統(tǒng)開始進(jìn)行初始化´和´分別設(shè)置為計(jì)數(shù)圖所示的輸入信號(hào)頻率相對(duì)較高"在一次測(cè)量過程中只中斷一次而其間有多個(gè)輸入信號(hào)脈沖"如果信號(hào)頻率很低´將多次溢出中斷閘門的啟閉取決于相鄰的兩個(gè)信號(hào)脈沖"由此可見測(cè)量閘門的時(shí)間寬度是自動(dòng)可變的最長為低頻信號(hào)的一個(gè)周期最短

9、為“´Ã"實(shí)際上閘門時(shí)間可表示為´Ç®´Ø器和定時(shí)器來對(duì)輸入信號(hào)和時(shí)標(biāo)信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)它們的初始值均為"時(shí)標(biāo)信號(hào)的頻率在單片機(jī)內(nèi)固定為ÆÃÆÏÓÃÆÏÓÃ為單片機(jī)的時(shí)鐘頻率"外部中斷©®´通?？稍O(shè)置為邊沿觸發(fā)開放©®´和´的中斷其中®"上式是等精度數(shù)字測(cè)頻的一個(gè)重要數(shù)字特征"測(cè)量完成后系統(tǒng)將從´

10、;和´讀出計(jì)數(shù)值并計(jì)算出Æ為了保證計(jì)算精度和數(shù)據(jù)的有效位數(shù)可采Ø"用浮點(diǎn)乘除法運(yùn)算"其數(shù)據(jù)可由三個(gè)字節(jié)表示其中階碼占一個(gè)字節(jié)尾數(shù)占兩個(gè)字節(jié)可表示的數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)范圍為?*"在此范圍內(nèi)其顯示精度決定于尾數(shù)的分辨率"因其尾數(shù)為兩個(gè)字節(jié)故顯示分辨率接近進(jìn)制的位數(shù)"由于浮點(diǎn)運(yùn)算結(jié)果需再轉(zhuǎn)換為多個(gè)單字節(jié)的¢£¤碼才能由輸出數(shù)碼管顯示"轉(zhuǎn)換后的十進(jìn)制浮允許"在Ô輸入信號(hào)的跳變沿產(chǎn)生第一次©®´時(shí)刻中斷時(shí)開放´和´的計(jì)數(shù)閘門并

11、關(guān)閉自身的中斷圖“等精度測(cè)頻原理圖點(diǎn)數(shù)階碼決定著數(shù)碼管上小數(shù)點(diǎn)的位置"這相當(dāng)于在測(cè)量過程中進(jìn)行量程的自動(dòng)切換另外該裝置還可在輸入頻率范圍內(nèi)保證相同的有效位數(shù)"測(cè)量裝置的測(cè)頻上限為ÆÏÓÔ"當(dāng)采用”-¨Ú的時(shí)鐘時(shí)測(cè)頻上限為-¨Ú因此該系統(tǒng)可滿足低頻信號(hào)的測(cè)量需要"對(duì)于更高的信號(hào)頻率可在輸入整形器和單片機(jī)之間插入預(yù)分頻器以將信號(hào)頻率降低到-¨Ú以下"測(cè)頻下限并無限制"測(cè)量裝置的無調(diào)整精度優(yōu)于”*它主圖”測(cè)頻軟件流程圖要取決于單片機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘

12、頻率ÆÏÓÃ的準(zhǔn)確度"在要求較高的測(cè)量精度時(shí)可用標(biāo)準(zhǔn)頻率計(jì)來校正ÆÏÓÃ以使之達(dá)到標(biāo)稱頻率"而對(duì)于一般的工程測(cè)試則無需對(duì)ÆÏÓÃ進(jìn)行調(diào)整"”圖測(cè)頻波形時(shí)序圖結(jié)束語本文介紹的等精度頻率計(jì)充分利用了單片機(jī)本全速µ³¢控制芯片³¬的應(yīng)用p應(yīng)用與設(shè)計(jì)全速µ³¢控制芯片³¬的應(yīng)用威海北洋電氣集團(tuán)公司徐發(fā)榮張濤ApplicationofFullSpeedUSB

13、ControllerSL11¸Õ¦ÁÒÏÎǺÈÁÎÇ´ÁÏ摘要介紹了³£¡®¬¯§©£公司生產(chǎn)的全速µ³¢控制芯片³¬的特點(diǎn)!功能及其應(yīng)用方法"給出了³¬和單片機(jī)的接口連接電路同時(shí)給出了³¬的µ³¢列舉和標(biāo)準(zhǔn)命令傳輸?shù)?/p>

14、程序清單和¢µ¬«數(shù)據(jù)收發(fā)過程的主要工作流程圖"關(guān)鍵字µ³¢控制分類號(hào)´°“³¬¢µ¬«數(shù)據(jù)收發(fā)文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼¢文章編號(hào)”“通道"片內(nèi)所帶的字節(jié)²¡-區(qū)可分成兩個(gè)部分即控制寄存器部分和數(shù)據(jù)緩沖器部分"數(shù)據(jù)緩沖部分為“個(gè)”字節(jié)的緩沖區(qū)其中一個(gè)用于控制通道的收發(fā)數(shù)據(jù)緩沖另兩個(gè)可以用作其它數(shù)據(jù)通道的數(shù)據(jù)緩沖"該器件具有乒乓°©®§°

15、75;®§數(shù)據(jù)傳輸功能可以充分利用µ³¢的高速數(shù)據(jù)傳輸能力來提高傳輸速度"³¬可以和任何£°µ!¤³°相連接"它具有腳°¬££和”腳¬°±¦°兩種封裝形式"圖為其腳°¬££封裝的引腳排列圖"概述µ³¢接口近兩年在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域得到了迅速的應(yīng)用"它是一種帶寬為-&#

16、194;Ó*”-ÂÓ的通用串行總線主要用于將外設(shè)按菊花鏈的方式連接到微機(jī)上可連接多達(dá)個(gè)外圍設(shè)備如外部£¤²¯-驅(qū)動(dòng)器!打印機(jī)!掃描儀!調(diào)制解調(diào)器!鼠標(biāo)和鍵盤等"而且有可能在不久以后由µ³¢取代所有外設(shè)接口"由于利用µ³¢可實(shí)現(xiàn)熱插拔和即插即用功能同時(shí)它連接簡(jiǎn)單!靈活性強(qiáng)并可多數(shù)據(jù)流工作"因此目前不少設(shè)備帶有µ³¢接口"³¬是美國³£¡®&

17、#172;¯§©£公司生產(chǎn)的支持全速³¬的硬件結(jié)構(gòu)³¬中的寄存器可分為兩部分其中一部分為傳輸?shù)?#181;³¢控制芯片它符合µ³¢規(guī)范并支持上傳¤-¡數(shù)據(jù)方式"³¬一個(gè)用于帶有”個(gè)通道控制通道一個(gè)用于¤-¡傳輸通道還有個(gè)通用身的軟硬件資源"除了顯示數(shù)碼管以外該裝置再不需要其它的外部電路整個(gè)裝置顯得非常簡(jiǎn)潔"如果進(jìn)行多路信號(hào)頻率的測(cè)量則可利用單片機(jī)的多機(jī)通信功能將待測(cè)數(shù)據(jù)集中傳送到上位機(jī)進(jìn)行統(tǒng)一顯示和處理"而這些都是非單片機(jī)型的等精度測(cè)頻裝置難以實(shí)現(xiàn)的"在筆者研制的/水機(jī)電聯(lián)合過渡過程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)0中設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)用上述等精度測(cè)頻原理來采集多路旋漿流速信號(hào)和水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)取得了良好的應(yīng)用效果"由于該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的測(cè)量速度較快同時(shí)又具有較高的測(cè)量精度因此可及時(shí)反映流速和轉(zhuǎn)速的波動(dòng)情