基于8051單片機(jī)的頻率測量技術(shù)

隨著無線電技術(shù)的發(fā)展與普及，"頻率"已經(jīng)成為廣大群眾所熟悉的物理量。而單片機(jī)的出現(xiàn)，更是對包括測頻在內(nèi)的各種測量技術(shù)帶來了許多重大的飛躍，然而，小體積、價(jià)廉、功能強(qiáng)等優(yōu)勢也在電子領(lǐng)域占有非常重要的地位。為此．本文給出了一種以單片機(jī)為核心的頻率測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。

1 測頻系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

測量頻率的方法一般分為無源測頻法、有源測頻法及電子計(jì)數(shù)法三種。無源測頻法(又可分為諧振法和電橋法)，常用于頻率粗測，精度在1％左右。有源比較法可分為拍頻法和差頻法，前者是利用兩個(gè)信號線性疊加以產(chǎn)生拍頻現(xiàn)象，再通過檢測零拍現(xiàn)象進(jìn)行測頻，常用于低頻測量，誤差在零點(diǎn)幾Hz；后者則利用兩個(gè)非線性信號疊加來產(chǎn)生差頻現(xiàn)象，然后通過檢測零差現(xiàn)象進(jìn)行測頻，常用于高頻測量，誤差在±20 Hz左右。以上方法在測量范圍和精度上都有一定的不足，而電子計(jì)數(shù)法主要通過單片機(jī)進(jìn)行控制。由于單片機(jī)的較強(qiáng)控制與運(yùn)算功能，電子計(jì)數(shù)法的測量頻率范圍寬，精度高，易于實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)就是采用單片機(jī)電子計(jì)數(shù)法來測量頻率，其系統(tǒng)硬件原理框圖如圖1所示。

為了提高測量的精度，拓展單片機(jī)的測頻范圍，本設(shè)計(jì)采取了對信號進(jìn)行分頻的方法。設(shè)計(jì)中采用兩片同步十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器74LS160來組成一個(gè)100分頻器。該100分頻器由兩個(gè)同步十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器74LS160和一個(gè)與非門74LS00共同設(shè)計(jì)而成。由于一個(gè)74LS160可以分頻十的一次方，而當(dāng)?shù)谝黄?4LS160工作時(shí)，如果有進(jìn)位，輸出端TC便有進(jìn)位信號送進(jìn)第二片的CEP端，同時(shí)CET也為高電平，這樣兩個(gè)工作狀態(tài)控制端CET、CEP將同時(shí)為高電平，此時(shí)第二片74LS160將開始工作。

2 頻率測量模塊的電路設(shè)計(jì)

用單片機(jī)電子計(jì)數(shù)法測量頻率有測頻率法和測周期法兩種方法。測量頻率主要是在單位定時(shí)時(shí)間里對被測信號脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)；測量周期則是在被測信號一個(gè)周期時(shí)間里對某一基準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。

2．1 8051測頻法的誤差分析

電子計(jì)數(shù)器測頻法主要是將被測頻率信號加到計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)輸入端，然后讓計(jì)數(shù)器在標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間Ts1內(nèi)進(jìn)行計(jì)數(shù)，所得的計(jì)數(shù)值N1。與被測信號的頻率fx1的關(guān)系如下：



而電子計(jì)數(shù)器測周法則是將標(biāo)準(zhǔn)頻率信號fs2送到計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)輸入端，而讓被測頻率信號fx2控制計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)時(shí)間，所得的計(jì)數(shù)值N2與fx2的關(guān)系如下：

事實(shí)上，無論用哪種方法進(jìn)行頻率測量，其主要誤差源都是由于計(jì)數(shù)器只能進(jìn)行整數(shù)計(jì)數(shù)而引起的±1誤差：

可見，在同樣的Ts下，測頻法fx1的低頻端，誤差遠(yuǎn)大于高頻端，而測周法在fx2的高頻端，其誤差遠(yuǎn)大于低頻端。理論研究表明，如進(jìn)行n次重復(fù)測量然后取平均，則±1誤差會減小n倍。如給定±1誤差ε0，則要求ε≤ε0ο對測頻法要fx1≥ 對測周法則要求fx2≤ε0fs2ο因此，對一給定頻率信號fs進(jìn)行測量時(shí)，用測頻法fs1越低越好，用測周法則fs2越高越好。

2．2 8051單片機(jī)的測頻范圍和測頻時(shí)間

8051單片機(jī)的定時(shí)器／計(jì)數(shù)器接口，在特定晶振頻率fc=12 MHz時(shí)，可輸人信號的頻率上限是fx≤fc／24=500 kHz。如用測頻法，則頻率的上限取決于8051，故測頻法的測量范圍是：

即：fx1≤500 kHz。
用測頻法測頻時(shí)，定時(shí)器／計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)時(shí)間間隔可由8051的另外一個(gè)定時(shí)器／計(jì)數(shù)器完成，外接100分頻器的情況下，fx1的頻率范圍可擴(kuò)展到50MHz
用測周法設(shè)計(jì)時(shí)，其頻率的下限取決8051計(jì)數(shù)器的極限?？紤]到8051內(nèi)部為16位，加上TF標(biāo)志位，計(jì)數(shù)范圍為217，因此其最大計(jì)數(shù)時(shí)間為秒。而如果采用半周期測量，則測頻范圍是：

在測周法中，標(biāo)準(zhǔn)頻率信號fs2由8051的內(nèi)部定時(shí)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生，f s2恒為fc／12，因此，在給定ε0為0．0 1時(shí)，fx2既有一定的上限頻率，也有一定的下限頻率。即：

并由此可見得出：4Hz≤fx1≤10 kHz理論上可以達(dá)到無窮大，即fs1可以達(dá)到無窮低，因此，fx1可達(dá)到無窮小，因此，可以認(rèn)為測頻法的測頻范圍只有上限頻率，沒有下限頻率。而再 這樣，兩個(gè)頻率范圍相疊加即可得到該頻率計(jì)的測頻范圍：4 Hz≤fx1≤50 MHz。精度可以達(dá)到1Hz。從以上分析可以看出，測頻法測量的頻率覆蓋范圍較寬，且在高頻端的測量精度較高，而在低頻段的測量精度較低，同時(shí)測量時(shí)間較長。測周法測量的頻率覆蓋范圍較窄，在高頻段的測量精度較低，在低頻段的測量精度較高，測量時(shí)間短。因此，測頻法適于高頻信號的測量，測周法適于較低頻信號測量。

8051可用軟件來控制定時(shí)器／計(jì)數(shù)器的工作方式，以實(shí)現(xiàn)測頻法與測周法的動態(tài)切換。對寬頻帶、高速度的頻率測量，可采用軟件切換測量方法來提高測量精度與測量速度。其測頻電路如圖2所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

由圖2所示的測頻電路可知，波形經(jīng)過施密特觸發(fā)器74LS132后，再經(jīng)整形放大后即可變成方波，然后利用8051的定時(shí)器／計(jì)數(shù)器T0給定定時(shí)時(shí)間為10 ms，再利用8051的定時(shí)器／計(jì)數(shù)器T1作計(jì)數(shù)器，累計(jì)10 ms時(shí)間里所經(jīng)過施密特觸發(fā)器74LS132的方波信號。當(dāng)T0定時(shí)滿10 ms時(shí)，T0向CPU發(fā)出中斷信號以申請中斷，并進(jìn)行頻率測量。假設(shè)所設(shè)定的中介頻率為l00／10 ms=l00×100=10000 Hz=10 kHz，岡為fx=N／T，所以，可以將假定給定數(shù)值100與Tl進(jìn)行比較，再將Tl計(jì)數(shù)器里所計(jì)的數(shù)值與給定的數(shù)值進(jìn)行比較。由于在用測頻法測量頻率時(shí)，較小頻率的誤差較大(±l誤差)。所以，這里用l0 kHz作為中間頻率，其±1誤差為9．9 kHz和1 0．1 kHz，誤差率為1％，可見該誤差不是很大，還可以接受。

事實(shí)上，當(dāng)頻率比較小于1 0kHz時(shí)，若程序選擇用測量周期法。則測周法流程圖及其程序如如圖3所示。

4 結(jié)束語

通過本文所介紹的設(shè)計(jì)過程即可實(shí)現(xiàn)頻率測量要求，并能夠很好的完成測量結(jié)果的存儲，完全能夠達(dá)到預(yù)期的效果。