基于單片機(jī)的等精度頻率計設(shè)計

0 引言
隨著微電子技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，特別是單片微機(jī)的出現(xiàn)和發(fā)展，使傳統(tǒng)的電子測量儀器在原理、功能、精度及自動化水平等方面都發(fā)生了巨大的變化，形成一種完全突破傳統(tǒng)概念的新一代測量儀器。頻率計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)的頻率計測量誤差較大，等精度頻率計以其測量準(zhǔn)確、精度高、方便等優(yōu)勢將得到廣泛的應(yīng)用。
傳統(tǒng)的測頻方法有直接測頻法和測周法[1]，在一定的閘門時間內(nèi)計數(shù)，門控信號和被測信號不同步，計數(shù)值會產(chǎn)生一個脈沖的誤差。等精度測頻法采用門控信號和被測信號同步，消除對被測信號計數(shù)產(chǎn)生的一個脈沖的誤差。等精度頻率測量方法消除了量化誤差，可以在整個測試頻段內(nèi)保持高精度不變，其精度不會因被測信號頻率的高低而發(fā)生變化。采用單片機(jī)作為控制核心的等精度頻率計，可以充分利用單片機(jī)軟件編程技術(shù)實現(xiàn)等精度測頻。通過單片機(jī)對同步門的控制，使被測信號和標(biāo)準(zhǔn)信號在閘門時間內(nèi)同步測量，為了提高精度，將電子計數(shù)功能轉(zhuǎn)為測周期，采用多周期同步測量技術(shù)，實現(xiàn)等精度測量。
1等精度頻率計的測量原理
1．1等精度頻率計的測量原理
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基于傳統(tǒng)測頻原理的頻率計的測量精度將隨被測信號頻率的變化而變化。傳統(tǒng)的直接測
頻法其測量精度將隨被測信號頻率的降低而降低，測周法的測量精度將隨被測信號頻率的升高而降低，在實用中有較大的局限性，而等精度頻率計不但具有較高的測量精度，而且在整個頻率區(qū)域能保持恒定的測試精度。
等精度頻率的測量原理圖1所示[2]。頻率為fx的被測信號經(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作為標(biāo)準(zhǔn)信號（時基信號）輸入到主門2。被測信號在同步控制門的作用下，產(chǎn)生一個與被測信號同步的閘門信號，被測信號與標(biāo)準(zhǔn)信號（時基信號）在同步門控制信號的控制下。在同步門打開時通過同步門分別輸入到事件計數(shù)器和時間計數(shù)器的信號輸入端，計數(shù)器開始計數(shù)。同步門關(guān)閉時信號不能通過主門，計數(shù)器停止計數(shù)，單片機(jī)發(fā)出命令讀入計數(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。
等精度頻率測量方法是采用多周期同步測量。如圖1的測量原理圖所示由單片機(jī)發(fā)出預(yù)置門控信號GATE，GATE的時間寬度對測頻精度影響較少，可以在較大的范圍內(nèi)選擇，即在高頻段時，閘門時間較短；低頻時閘門時間較長。實現(xiàn)了全范圍等精度測量，減少了低頻測量的誤差。
在同步門的控制下，一方面保證了被測信號和時基信號的同步測量；另一方面在同步門打開后計數(shù)器并不是馬上計數(shù)，而是在被測信號的下一個上升沿開始計數(shù)，同步門關(guān)閉后計數(shù)器也不是馬上停止計數(shù)，而是在被測信號的下一個上升沿停止計數(shù)。即在實際閘門時間計數(shù)，從而提高了測量精度。
由于采用D觸發(fā)器實現(xiàn)的同步門的同步作用，事件計數(shù)器所記錄的Nx值已不存在誤差的影響，但由于時鐘信號與閘門的開和關(guān)無確定的相位關(guān)系，時間計數(shù)器所記錄的N0的值仍存在±1誤差的影響，只是由于時鐘頻率很高，誤差的影響很小。所以在全頻段的測量精度是均衡的,從而實現(xiàn)等精度頻率測量。
1．2  等精度頻率計計數(shù)測量誤差
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2 等精度測頻的硬件電路設(shè)計及測量過程
2．1  硬件電路設(shè)計
等精度測頻的硬件電路如圖2所示[3] [4]，其主要由以下幾部分組成：單片機(jī)控制部分、同步門控制電路、計數(shù)和鍵盤與顯示電路。單片機(jī)控制部分主要完成測量過程的控制、測量結(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，P1.2用于對74LS393組成的計數(shù)器清零，一次計數(shù)完成后單片機(jī)通過控制兩片74LS244讀取被測信號與標(biāo)準(zhǔn)信號的低8位計數(shù)值，高位計數(shù)值在單片機(jī)的T0、T1中。然后單片機(jī)對計數(shù)值進(jìn)行運算處理，并送出顯示。AT89C52 P1.3、 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控制被測信號fx的通過，主門2控制時鐘信號f0的通過，兩門的啟閉都由同步門控制電路控制。計數(shù)器包括事件計數(shù)器和時間計數(shù)器兩部分，它們是兩組完全相同的計數(shù)電路。分別由前后兩級組成。前級由雙4位異步計數(shù)器74LS393級聯(lián)構(gòu)成八位二進(jìn)制計數(shù)器；后級由AT89C52單片機(jī)內(nèi)的定時/計數(shù)器構(gòu)成十六位二進(jìn)制計數(shù)器。標(biāo)準(zhǔn)信號部分采用10MHz石英晶體振蕩器來提供測量所需要的標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號。鍵盤與數(shù)碼顯示部分采用串行接口方式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)動八位LED共陰極數(shù)碼管和鍵盤接口，鍵盤與數(shù)碼顯示部分主要完成測量功能的選擇和測量頻率的數(shù)據(jù)顯示。
2．2  測量過程
AT89C52單片機(jī)的P1.3引腳發(fā)出復(fù)位信號，使兩個計數(shù)器清零，同時P1.1也發(fā)出復(fù)位信號，使同步門控制器的500)this.style.width=500;" border="0" />端為低電平，則主門1和主門2都關(guān)閉。這時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，500)this.style.width=500;" border="0" />端與D端的邏輯狀態(tài)不同，觸發(fā)器處于閉鎖狀態(tài)，這時被測信號即使到達(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500)this.style.width=500;" border="0" />端與D端的邏輯狀態(tài)相同，觸發(fā)器解除閉鎖，這時被測信號一旦到達(dá)CK端，觸發(fā)器立即翻轉(zhuǎn)，500)this.style.width=500;" border="0" />由“0”變?yōu)椤?”，于是同步門被打開，被測信號和時間信號分別進(jìn)入到相應(yīng)的計數(shù)器進(jìn)行計數(shù)。P1.0從高電平跳到低電平的同時，也啟動了計時系統(tǒng)開始計量閘門時間。當(dāng)預(yù)定的閘門時間結(jié)束時，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信號再次觸發(fā)D觸發(fā)器使之翻轉(zhuǎn)，500)this.style.width=500;" border="0" />端由高電平轉(zhuǎn)為低電平，使同步門關(guān)閉，計數(shù)器停止計數(shù)。
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3 軟件設(shè)計
系統(tǒng)軟件的設(shè)計主要是和硬件電路相結(jié)合，正確地實現(xiàn)等精度測量。整個系統(tǒng)軟件的設(shè)計采用了自頂向下的模塊化的結(jié)構(gòu)方式，將各個功能分成獨立模塊，由系統(tǒng)的程序統(tǒng)一管理執(zhí)行。它主要完成各種功能，如測量、 數(shù)據(jù)運算、顯示等。如圖4所示為頻率測量主程序流程圖，在計數(shù)前對計數(shù)器清零。然后，發(fā)出命令打開閘門進(jìn)入閘門時間，計數(shù)器在閘門時間內(nèi)計數(shù)。延時子程序結(jié)束后，發(fā)出命令關(guān)閉閘門使計數(shù)器停止計數(shù)；單片機(jī)再依照程序讀取計數(shù)器的值，并與單片機(jī)內(nèi)部計數(shù)器所計的值合并在一起。由公式（1），即被測頻率fx=f0×Nx/N0來進(jìn)行運算，由于精度要求，Nx和N0都由24位二進(jìn)制數(shù)來計數(shù)。因此，要在單片機(jī)內(nèi)部進(jìn)行多字節(jié)無符號二進(jìn)制數(shù)的乘法和除法運算，并將運算結(jié)果轉(zhuǎn)換成BCD碼，顯示運算結(jié)果。
4 結(jié)束語
本文作者創(chuàng)新點：采用單片機(jī)AT89C52作為系統(tǒng)控制單元，輔以適當(dāng)?shù)能?、硬件資源完成以單片機(jī)為核心的等精度頻率計設(shè)計，實現(xiàn)頻率的等精度測量。設(shè)計采用標(biāo)準(zhǔn)時基信號為10MHz，也可以在晶振部分加一分頻電路，根據(jù)不同的被測頻率調(diào)整不同的標(biāo)準(zhǔn)信號頻率；等精度頻率計不僅可以測量頻率，還可以測量周期、相位[5]和用于計數(shù)，只要編寫相應(yīng)的程序變可實現(xiàn)相應(yīng)的功能。經(jīng)過實驗測試后，等精度頻率計運行可靠；該等精度頻率計可用于工程領(lǐng)域的高速計數(shù)場合，預(yù)計可以產(chǎn)生20萬元左右的經(jīng)濟(jì)效益。