鄭暉暉

摘 要隨著科學(xué)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，頻率的測(cè)量顯得越來(lái)越重要，測(cè)量頻率的精度也越來(lái)越高，而單片機(jī)體積小、可靠性高、價(jià)格便宜，被普遍的應(yīng)用在控制領(lǐng)域中，鑒于以上原因，我們?cè)O(shè)計(jì)基于單片機(jī)的高精度頻率測(cè)量?jī)x，提出了該設(shè)計(jì)的任務(wù)與要求，基于任務(wù)與要求設(shè)計(jì)出方案一和方案二，并對(duì)這兩種方案進(jìn)行了論證比較，最終選擇方案一作為設(shè)計(jì)方案。

【關(guān)鍵詞】高精度 頻率測(cè)量?jī)x 設(shè)計(jì)方案

隨著科學(xué)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，頻率的測(cè)量顯得越來(lái)越重要，例如：導(dǎo)彈發(fā)射、測(cè)量定位、天文等領(lǐng)域都要求完成對(duì)頻率的測(cè)量。近年來(lái)，頻率測(cè)量精度的要求越來(lái)越嚴(yán)格，而且必須要求越來(lái)越精確的時(shí)間、頻率標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)量技術(shù)。

在電子測(cè)量中，最基本的測(cè)量頻率的方法有：計(jì)數(shù)法、測(cè)周法。伴隨著科學(xué)技術(shù)和測(cè)量技術(shù)的快速發(fā)展，各種新的測(cè)量方法會(huì)不斷顯現(xiàn)出來(lái)。其中，最具代表性的有：多周期同步的頻率測(cè)量方法、游標(biāo)法和模擬內(nèi)插法等。

1 頻率測(cè)量?jī)x的應(yīng)用范圍較為廣泛

可以概括為以下4個(gè)方面 ：

（1）在傳統(tǒng)的電子測(cè)量?jī)x器中，是采用示波器來(lái)完成待測(cè)信號(hào)的頻率測(cè)量，用示波器所測(cè)得的頻率精度較低，且具有較大的誤差。數(shù)字顯示的頻率測(cè)量?jī)x可以準(zhǔn)確地完成待測(cè)信號(hào)的頻率測(cè)量，一方面具有良好的測(cè)量精度，另一方面具有較快的測(cè)量速度。綜上所述，采用數(shù)字頻率測(cè)試儀具有良好的測(cè)量精度、穩(wěn)態(tài)誤差小和測(cè)量速度快等特點(diǎn)。故頻率計(jì)被廣泛應(yīng)用于電子測(cè)量?jī)x器領(lǐng)域。

（2）在傳統(tǒng)的生產(chǎn)制造企業(yè)中，也廣泛的使用了頻率測(cè)量?jī)x。由于頻率測(cè)量?jī)x具有較快的測(cè)量速度，主要用來(lái)捕捉控制系統(tǒng)的晶體振蕩器所輸出的頻率值。在生產(chǎn)制造業(yè)中，利用頻率測(cè)量?jī)x，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)控制系統(tǒng)晶體振蕩器的工作狀態(tài)，在一定程度上，提高了產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量。

（3）在脈沖信號(hào)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，頻率測(cè)量?jī)x被廣泛的應(yīng)用在晶體振蕩器的校準(zhǔn)中。

（4）在無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域中，頻率測(cè)量?jī)x主要應(yīng)用在以下2方面：能夠測(cè)量本地校準(zhǔn)無(wú)線(xiàn)通信基站的工作時(shí)鐘頻率；可以調(diào)制信號(hào)，射頻跳頻信號(hào)的測(cè)量。

目前，頻率測(cè)量一般選用了2種技術(shù)，即：

（1）“測(cè)量范圍寬，多周期同步的方法，模擬和插值方法的基礎(chǔ)和游標(biāo)法。

（2）針對(duì)“頻標(biāo)”對(duì)比的各個(gè)技術(shù)，例如：比相法等。上述測(cè)量技術(shù)都具有良好的測(cè)量精度、誤差小和較快的測(cè)量速度。

通常情況下，在單位時(shí)間的周期信號(hào)，也就是1秒內(nèi)所變化的次數(shù)把他們叫頻率?？梢园阉O(shè)定在固定的時(shí)間距離中，進(jìn)行待測(cè)信號(hào)波形改變的次數(shù)，并能夠通過(guò)顯示部件顯示計(jì)數(shù)的實(shí)際結(jié)果，來(lái)獲得待測(cè)信號(hào)的頻率值。

鑒于以上原因，我們?cè)O(shè)計(jì)基于單片機(jī)的高精度頻率測(cè)量的儀器，它采用直接測(cè)量頻率的方法。但對(duì)于低頻段的測(cè)量，需要利用“測(cè)周法”來(lái)達(dá)到頻率測(cè)量的目的，設(shè)計(jì)的任務(wù)與要求為：

（1）測(cè)量頻率的范圍：10HZ～10KHZ。

（2）輸入的波形：能形成需要的頻率脈沖的信號(hào)，輸出的方波，矩形波，幅度是5V。

（3）測(cè)量誤差≤1Hz。

2 方案設(shè)計(jì)

基于以上任務(wù)與要求設(shè)計(jì)出方案1和方案2：

方案1：該方案的核心控制模塊為單片機(jī)，主要是利用單片機(jī)的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器功能完成在單位時(shí)間內(nèi)頻率的計(jì)算工作，并利用信號(hào)整形和放大電路完成對(duì)待測(cè)信號(hào)的處理。所測(cè)得的頻率值，通過(guò)LED顯示器采用動(dòng)態(tài)顯示的方法顯示出來(lái)。其設(shè)計(jì)方案是：信號(hào)放大電路→信號(hào)整形電路→單片機(jī)控制→數(shù)字顯示電路。

方案2：這個(gè)的核心單元是數(shù)字器件，主要組成部件有：時(shí)基集成電路，邏輯控制的電路，信號(hào)擴(kuò)大、整形的電路，計(jì)數(shù)的電路，鎖存的電路，顯示譯碼的

電路等。采用方案2的數(shù)字頻率測(cè)量?jī)x的原理圖，如圖1所示。

3 方案的論證

本文不僅對(duì)該方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并且對(duì)設(shè)計(jì)的方案進(jìn)行論證。

方案1的論證：該方案的核心控制模塊為單片機(jī)，主要是利用單片機(jī)的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器功能完成在單位時(shí)間內(nèi)頻率的計(jì)算工作，并利用信號(hào)整形和放大電路完成對(duì)待測(cè)信號(hào)的處理。起初讓被測(cè)的信號(hào)進(jìn)入放大電路、經(jīng)過(guò)整形電路，讓所得到的脈沖信號(hào)送給單片機(jī)，單片機(jī)的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器功能開(kāi)動(dòng)，來(lái)完成對(duì)待測(cè)信號(hào)的計(jì)數(shù)。利用軟件編程，完成頻率計(jì)數(shù)的顯示工作。

方案2的論證：該策劃重要組成部件有：時(shí)基集成電路，邏輯的控制電路，信號(hào)擴(kuò)大、整形的電路，計(jì)數(shù)的電路，鎖存的電路，和顯示譯碼的電路等，核心單元是數(shù)字器件。具體的工作原理是：待測(cè)信號(hào)需要通過(guò)信號(hào)放大、信號(hào)整形電路進(jìn)入閘門(mén)電路，在待測(cè)期間，只有利用時(shí)基集成電路所形成閘門(mén)的脈沖信號(hào)來(lái)打開(kāi)主門(mén)后，經(jīng)過(guò)整理后的輸入信號(hào)才能順利通過(guò)主門(mén)進(jìn)入測(cè)量?jī)x來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)工作。

4 方案的選擇

如上所述，將方案1和方案2進(jìn)行對(duì)比不難發(fā)現(xiàn)，方案2采用了較多的數(shù)字邏輯器件，電路連接繁瑣，工作原理復(fù)雜，硬件調(diào)試麻煩。假設(shè)需要對(duì)頻率較高的脈沖信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，需要外接分頻電路，投入資金較多。而方案1的核心控制模塊為是單片機(jī)，外接的元器件少，測(cè)量簡(jiǎn)單、程序編譯調(diào)試方便?；谏鲜霰容^，本文選擇方案1作為頻率測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)方案。

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作者單位

無(wú)錫機(jī)電高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校 江蘇省無(wú)錫市 214000