基于單片機(jī)的等精度頻率計(jì)設(shè)計(jì)

基于單片機(jī)的等精度頻率計(jì)設(shè)計(jì)時(shí)間：2023-05-2110:52:28來源：微計(jì)算機(jī)信息李寶營趙永生祖龍起牛悅苓0引言

隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速開展，特別是單片微機(jī)的出現(xiàn)和開展，使傳統(tǒng)的電子測(cè)量儀器在原理、功能、精度及自動(dòng)化水平等方面都發(fā)生了巨大的變化，形成一種完全突破傳統(tǒng)概念的新一代測(cè)量儀器。頻率計(jì)廣泛采用了高速集成電路和大規(guī)模集成電路，使儀器在小型化、耗電、可靠性等方面都發(fā)生了重大的變化。傳統(tǒng)的頻率計(jì)測(cè)量誤差較大，等精度頻率計(jì)以其測(cè)量準(zhǔn)確、精度高、方便等優(yōu)勢(shì)將得到廣泛的應(yīng)用。

傳統(tǒng)的測(cè)頻方法有直接測(cè)頻法和測(cè)周法[1]，在一定的閘門時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)，門控信號(hào)和被測(cè)信號(hào)不同步，計(jì)數(shù)值會(huì)產(chǎn)生一個(gè)脈沖的誤差。等精度測(cè)頻法采用門控信號(hào)和被測(cè)信號(hào)同步，消除對(duì)被測(cè)信號(hào)計(jì)數(shù)產(chǎn)生的一個(gè)脈沖的誤差。等精度頻率測(cè)量方法消除了量化誤差，可以在整個(gè)測(cè)試頻段內(nèi)保持高精度不變，其精度不會(huì)因被測(cè)信號(hào)頻率的上下而發(fā)生變化。采用單片機(jī)作為控制核心的等精度頻率計(jì)，可以充分利用單片機(jī)軟件編程技術(shù)實(shí)現(xiàn)等精度測(cè)頻。通過單片機(jī)對(duì)同步門的控制，使被測(cè)信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)在閘門時(shí)間內(nèi)同步測(cè)量，為了提高精度，將電子計(jì)數(shù)功能轉(zhuǎn)為測(cè)周期，采用多周期同步測(cè)量技術(shù)，實(shí)現(xiàn)等精度測(cè)量。

1等精度頻率計(jì)的測(cè)量原理

1．1等精度頻率計(jì)的測(cè)量原理

基于傳統(tǒng)測(cè)頻原理的頻率計(jì)的測(cè)量精度將隨被測(cè)信號(hào)頻率的變化而變化。傳統(tǒng)的直接測(cè)

頻法其測(cè)量精度將隨被測(cè)信號(hào)頻率的降低而降低，測(cè)周法的測(cè)量精度將隨被測(cè)信號(hào)頻率的升高而降低，在實(shí)用中有較大的局限性，而等精度頻率計(jì)不但具有較高的測(cè)量精度，而且在整個(gè)頻率區(qū)域能保持恒定的測(cè)試精度。

等精度頻率的測(cè)量原理圖1所示[2]。頻率為fx的被測(cè)信號(hào)經(jīng)通道濾波、放大、整形后

輸入到同步門控制電路和主門1〔閘門〕，晶體振蕩器的輸出信號(hào)作為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)〔時(shí)基信號(hào)〕輸入到主門2。被測(cè)信號(hào)在同步控制門的作用下，產(chǎn)生一個(gè)與被測(cè)信號(hào)同步的閘門信號(hào)，被測(cè)信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)〔時(shí)基信號(hào)〕在同步門控制信號(hào)的控制下。在同步門翻開時(shí)通過同步門分別輸入到事件計(jì)數(shù)器和時(shí)間計(jì)數(shù)器的信號(hào)輸入端，計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)。同步門關(guān)閉時(shí)信號(hào)不能通過主門，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，單片機(jī)發(fā)出命令讀入計(jì)數(shù)器的數(shù)值，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將處理后的結(jié)果送顯示。

等精度頻率測(cè)量方法是采用多周期同步測(cè)量。如圖1的測(cè)量原理圖所示由單片機(jī)發(fā)出預(yù)置門控信號(hào)GATE，GATE的時(shí)間寬度對(duì)測(cè)頻精度影響較少，可以在較大的范圍內(nèi)選擇，即在高頻段時(shí)，閘門時(shí)間較短；低頻時(shí)閘門時(shí)間較長。實(shí)現(xiàn)了全范圍等精度測(cè)量，減少了低頻測(cè)量的誤差。

在同步門的控制下，一方面保證了被測(cè)信號(hào)和時(shí)基信號(hào)的同步測(cè)量；另一方面在同步門翻開后計(jì)數(shù)器并不是馬上計(jì)數(shù)，而是在被測(cè)信號(hào)的下一個(gè)上升沿開始計(jì)數(shù)，同步門關(guān)閉后計(jì)數(shù)器也不是馬上停止計(jì)數(shù)，而是在被測(cè)信號(hào)的下一個(gè)上升沿停止計(jì)數(shù)。即在實(shí)際閘門時(shí)間計(jì)數(shù)，從而提高了測(cè)量精度。

由于采用D觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)的同步門的同步作用，事件計(jì)數(shù)器所記錄的Nx值已不存在誤差的影響，但由于時(shí)鐘信號(hào)與閘門的開和關(guān)無確定的相位關(guān)系，時(shí)間計(jì)數(shù)器所記錄的N0的值仍存在±1誤差的影響，只是由于時(shí)鐘頻率很高，誤差的影響很小。所以在全頻段的測(cè)量精度是均衡的,從而實(shí)現(xiàn)等精度頻率測(cè)量。

1．2

等精度頻率計(jì)計(jì)數(shù)測(cè)量誤差

2等精度測(cè)頻的硬件電路設(shè)計(jì)及測(cè)量過程

2．1硬件電路設(shè)計(jì)

等精度測(cè)頻的硬件電路如圖2所示[3][4]，其主要由以下幾局部組成：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制局部、同步門控制電路、計(jì)數(shù)和鍵盤與顯示電路。單片機(jī)控制局部主要完成測(cè)量過程的控制、測(cè)量結(jié)果的處理和顯示。單片機(jī)選用AT89C52，其中P1.0用于控制同步門D觸發(fā)器74LS74產(chǎn)生同步的閘門信號(hào)，P1.2用于對(duì)74LS393組成的計(jì)數(shù)器清零，一次計(jì)數(shù)完成后單片機(jī)通過控制兩片74LS244讀取被測(cè)信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的低8位計(jì)數(shù)值，高位計(jì)數(shù)值在單片機(jī)的T0、T1中。然后單片機(jī)對(duì)計(jì)數(shù)值進(jìn)行運(yùn)算處理，并送出顯示。AT89C52P1.3、P1.4、P1.5和P1.6用于和串行接口8位LED數(shù)碼管及鍵盤控制芯片HD7279A的連接，控制和管理鍵盤及顯示。同步門控制電路主要由D觸發(fā)器74LS74〔同步門控制〕、六反相器74LS04和二輸入或非門74LS02組成〔主門1、主門2〕。主門1控制被測(cè)信號(hào)fx的通過，主門2控制時(shí)鐘信號(hào)f0的通過，兩門的啟閉都由同步門控制電路控制。計(jì)數(shù)器包括事件計(jì)數(shù)器和時(shí)間計(jì)數(shù)器兩局部，它們是兩組完全相同的計(jì)數(shù)電路。分別由前后兩級(jí)組成。前級(jí)由雙4位異步計(jì)數(shù)器74LS393級(jí)聯(lián)構(gòu)成八位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器；后級(jí)由AT89C52單片機(jī)內(nèi)的定時(shí)/計(jì)數(shù)器構(gòu)成十六位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器。標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)局部采用10MHz石英晶體振蕩器來提供測(cè)量所需要的標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號(hào)。鍵盤與數(shù)碼顯示局部采用串行接口方式8位LED數(shù)碼管及64鍵鍵盤管理芯片HD7279A與單片機(jī)連接，驅(qū)動(dòng)八位LED共陰極數(shù)碼管和鍵盤接口，鍵盤與數(shù)碼顯示局部主要完成測(cè)量功能的選擇和測(cè)量頻率的數(shù)據(jù)顯示。

2．2測(cè)量過程

AT89C52單片機(jī)的P1.3引腳發(fā)出復(fù)位信號(hào)，使兩個(gè)計(jì)數(shù)器清零，同時(shí)P1.1也發(fā)出復(fù)位信號(hào)，使同步門控制器的端為低電平，那么主門1和主門2都關(guān)閉。這時(shí)P1.0的初始狀態(tài)為“1〞，使D觸發(fā)器的D端為高電平。根據(jù)D觸發(fā)器的功能，端與D端的邏輯狀態(tài)不同，觸發(fā)器處于閉鎖狀態(tài)，這時(shí)被測(cè)信號(hào)即使到達(dá)CK端，也不能使其觸發(fā)翻轉(zhuǎn)，保證了同步門可靠關(guān)閉。AT89C52單片機(jī)的P1.0從高電平跳到低電平，使D觸發(fā)器的D端為“0〞，這樣端與D端的邏輯狀態(tài)相同，觸發(fā)器解除閉鎖，這時(shí)被測(cè)信號(hào)一旦到達(dá)CK端，觸發(fā)器立即翻轉(zhuǎn)，由“0〞變?yōu)椤?〞，于是同步門被翻開，被測(cè)信號(hào)和時(shí)間信號(hào)分別進(jìn)入到相應(yīng)的計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)。P1.0從高電平跳到低電平的同時(shí)，也啟動(dòng)了計(jì)時(shí)系統(tǒng)開始計(jì)量閘門時(shí)間。當(dāng)預(yù)定的閘門時(shí)間結(jié)束時(shí)，使P1.0又從低電平恢復(fù)到高電平，D觸發(fā)器再次解除閉鎖。隨后緊跟而來的被測(cè)信號(hào)再次觸發(fā)D觸發(fā)器使之翻轉(zhuǎn)，端由高電平轉(zhuǎn)為低電平，使同步門關(guān)閉，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。3軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)主要是和硬件電路相結(jié)合，正確地實(shí)現(xiàn)等精度測(cè)量。整個(gè)系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)采用了自頂向下的模塊化的結(jié)構(gòu)方式，將各個(gè)功能分成獨(dú)立模塊，由系統(tǒng)的程序統(tǒng)一管理執(zhí)行。它主要完成各種功能，如測(cè)量、數(shù)據(jù)運(yùn)算、顯示等。如圖4所示為頻率測(cè)量主程序流程圖，在計(jì)數(shù)前對(duì)計(jì)數(shù)器清零。然后，發(fā)出命令翻開閘門進(jìn)入閘門時(shí)間，計(jì)數(shù)器在閘門時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)。延時(shí)子程序結(jié)束后，發(fā)出命令關(guān)閉閘門使計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)；單