基于單片機的等精度測頻法及其應用研究

馬惠鋮

（延安大學西安創新學院 理工系，陜西 西安 710100）

基于單片機的等精度測頻法及其應用研究

馬惠鋮

（延安大學西安創新學院 理工系，陜西 西安 710100）

隨著電子技術的發展，測頻技術有了相當大的發展，但不管是何種測頻方法，±1個計數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

在電子技術中［1］，頻率是最基本的參數之一，并且與許多電參量的測量方案、測量結果都有十分密切的關系，因此，頻率的測量就顯得更為重要.測量頻率的方法有多種，其中電子計數器測量頻率具有精度高、使用方便、測量迅速，以及便于實現測量過程自動化等優點，是頻率測量的重要手段之一，因此數字頻率計是計算機、通訊設備、音頻視頻等科研生產領域不可缺少的測量儀器.電子計數器測頻有兩種方式：一是直接測頻法，即在一定閘門時間內測量被測信號的脈沖個數；二是間接測頻法，如周期測頻法.直接計數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.

計數器1，2的閘門時間是相等的，T'為閘門導通的預置時間，可以根據需要設置.但是T'不一定是Tx的整數倍，因此必須通過同步及門控電路控制閘門的實際導通時間T'使它為Tx的整數倍.這樣在相同的時間T內計數器1，2分別對fx，fc計數，其結果為Nx=Tfx，Nc=Tfc，因此，fx=Nxfc/Nc，那么

由于T為Nx周期的整數倍，因而式中第一項Nx的正負1誤差為0，即△Nx/Nx=0，第三項為頻率準確度，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尺與計數器2對fc計數產生的正負1誤差有關，而與fx無關.

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，僅與閘門時間和標準信號頻率有關.閘門時間越長，標準頻率越高測頻的相對誤差就越小.標準頻率可由穩定性好，精度高的高頻率晶振產生，在保證測量精度不變的前提下，提高標準信號頻率，可使閘門時間縮短，即提高測試速度［3］.

表2-1 閘門時間與標準頻率的關系

表2-1為標準信號頻率在10KHZ和100MHZ時閘門時間與最大允許誤差的對應關系：

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倍，即與被測信號同步.因此排除了對被測信號計數所產生的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，有兩個計數器分別對標準信號和被測信號同時計數.首先給出閘門開啟信號（預置閘門上升沿），此時計數器并不開始計數.而是等到被測信號的上升沿到來時，計數器才真正開始計數［4］.然后預置閘門關閉信號（下降沿到時），計數器并不立即停止計數，而是等到被測信號的上升沿到來時才開始結束計數，完成一次測量過程.

2.2 基于單片機的等精度頻率計

等精度頻率計系統設計共包括五大模塊：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，譯碼，和顯示以及對分頻比的控制.利用其內部的定時/計數器完成待測信號周期/頻率的測量［4］.單片機AT89C51內部具有2個16位定時/計數器，定時/計數器的工作可以由編程來實現定時、計數和產生計數溢出時中斷要求的功能.（因為AT89C51所需外圍元件少，擴展性強，測試準確度高.）

（2）電源模塊：為整個系統提供合適又穩定的電源，主要為單片機、信號調理電路以及分頻電路提供電源，電壓要求穩定、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化成方波信號，便于測量.

（4）分頻模塊：考慮單片機外部計數，使用12MHz時鐘時，最大計數速率為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，并實現單片機頻率測量使用統一信號，可使單片機測頻更易于實現，而且也降低了系統的測頻誤差.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，標準型16X2液晶顯示字符模塊（背光/藍屏）1602采用標準的16腳接口，是屏顯驅動模塊，工業字符型液晶，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設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，頻率計的總體設計框圖如圖2-2.

圖2-2 等精度頻率計系統設計框圖

3 總體電路圖

硬件電路主要分為信號轉換電路、分頻電路、數據選擇電路、單片機系統和顯示電路五部分.其總體電路設計如圖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要求.等精度測頻法比之直接計數法、周期測頻法和混合測頻法，不存在正負1誤差，可以讓人們直接得到精確度很高的頻率.

4 結束語

等精度測頻法是利用單片機的數據處理功能，采用雙計數器對fx，fc分別進行計數，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1誤差，使測頻更加準確可靠.

〔1〕宋立新.準等精度多周期同步測頻法及實現［J］.哈爾濱理工大學學報，1999，4（4）：20-21.

〔2〕孫涵芳，徐愛卿.MCS-51/96單片機的原理及應用.北京：北京航空學院出版社，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［J］.測試技術學報，1996，10（2）：391-395.

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