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個計數(shù)誤差始終是限制測頻精度進一步提高的一個重要因素.等精度測頻不同于普通的測頻法和測周法，它的閘門時間是被測信號周期的整數(shù)倍，從而消除了±1誤差，達到了在整個測試頻段的等精度測量.本文提出了一種基于單片機的等精度測頻法，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

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，以及便于實現(xiàn)測量過程自動化等優(yōu)點，是頻率測量的重要手段之一，因此數(shù)字頻率計是計算機、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.電子計數(shù)器測頻有兩種方式：一是直接測頻法，即在一定閘門時間內(nèi)測量被測信號的脈沖個數(shù)；二是間接測頻法，如周期測頻法.直接計數(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.

計數(shù)器1，2的閘門時間是相等的，T'為閘門導(dǎo)通的預(yù)置時間，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際導(dǎo)通時間T'使它為Tx的整數(shù)倍.這樣在相同的時間T內(nèi)計數(shù)器1，2分別對fx，fc計數(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Nx的正負(fù)1誤差為0，即△Nx/Nx=0，第三項為頻率準(zhǔn)確度，若忽略該項誤差，則

圖2-1 等精度測頻法的原理框圖

顯然r尺與計數(shù)器2對fc計數(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)，僅與閘門時間和標(biāo)準(zhǔn)信號頻率有關(guān).閘門時間越長，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，可使閘門時間縮短，即提高測試速度［3］.

表2-1 閘門時間與標(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時閘門時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數(shù)所產(chǎn)生的1個周期誤差，并且達到了在整個測試頻段的等精度測量.

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

2.2 基于單片機的等精度頻率計

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

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

（2）電源模塊：為整個系統(tǒng)提供合適又穩(wěn)定的電源，主要為單片機、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：考慮單片機外部計數(shù)，使用12MHz時鐘時，最大計數(shù)速率為500kHz，因此需要外部分頻.分頻電路用于擴展單片機頻率測量范圍，并實現(xiàn)單片機頻率測量使用統(tǒng)一信號，可使單片機測頻更易于實現(xiàn)，而且也降低了系統(tǒng)的測頻誤差.可用74HC4017進行外部十分頻.

（5）顯示模塊：利用LCD1602液晶顯示器顯示待測信號的頻率藍底白字，標(biāo)準(zhǔn)型16X2液晶顯示字符模塊（背光/藍屏）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，能夠同時顯示16x02即32個字符.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、符號等的點陣型液晶模塊它有若干個5X7或者5X11等點陣字符位組成，每個點陣字符位都可以顯示一個字符.

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

圖2-2 等精度頻率計系統(tǒng)設(shè)計框圖

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、單片機系統(tǒng)和顯示電路五部分.其總體電路設(shè)計如圖3-1所示.

圖3-1 總體電路圖

此電路通過仿真分析達到了系統(tǒng)要求.等精度測頻法比之直接計數(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的數(shù)據(jù)處理功能，采用雙計數(shù)器對fx，fc分別進行計數(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現(xiàn)［J］.哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報，1999，4（4）：20-21.

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

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

〔4〕周瀾景.基于PROTEUS的電路與單片機系統(tǒng)設(shè)計與仿真［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)類專項科研計劃資助項目（14JK2170）