基于单片机的等精度测频法及其应用研究

马惠铖

（延安大学西安创新学院 理工系，陕西 西安 710100）

摘要：随着电子技术的发展，测频技术有了相当大的发展，但不管是何种测频方法，±1个计数误差始终是限制测频精度进一步提高的一个重要因素.等精度测频不同于普通的测频法和测周法，它的闸门时间是被测信号周期的整数倍，从而消除了±1误差，达到了在整个测试频段的等精度测量.本文提出了一种基于单片机的等精度测频法，分析对比得出了等精度测频法对于带宽很大的频率信号具有很高的测量精度.

教育期刊网 http://www.jyqkw.com
关键词 ：等精度；误差；频率；单片机

中图分类号：TP29文献标识码：A文章编号：1673-260X（2015）05-0043-02

1 引言

在电子技术中[1]，频率是最基本的参数之一，并且与许多电参量的测量方案、测量结果都有十分密切的关系，因此，频率的测量就显得更为重要.测量频率的方法有多种,其中电子计数器测量频率具有精度高、使用方便、测量迅速，以及便于实现测量过程自动化等优点，是频率测量的重要手段之一，因此数字频率计是计算机、通讯设备、音频视频等科研生产领域不可缺少的测量仪器.电子计数器测频有两种方式：一是直接测频法，即在一定闸门时间内测量被测信号的脉冲个数；二是间接测频法，如周期测频法.直接计数法适用于高频信号的频率测量，周期测频法适用于低频信号的频率测量.另外还有一种混合测频法，是将一被测信号划分成具体的高频段和低频段，然后在分别用直接计数法和周期测频法测量，不过这几种方法在精度测量上不管怎样都会有一定的±1误差[2]，而等精度测频法则是一种不会产生±1误差的测频法，因此，在测频精度上，等精度测频法高于其他几种测频方法.

2 基于单片机的等精度测频法

2.1 等精度测频法的原理

其原理框图如图2-1所示.

计数器1,2的闸门时间是相等的，T’为闸门导通的预置时间，可以根据需要设置.但是T’不一定是Tx的整数倍，因此必须通过同步及门控电路控制闸门的实际导通时间T’使它为Tx的整数倍.这样在相同的时间T内计数器1,2分别对fx,fc计数，其结果为Nx=Tfx,Nc=Tfc,因此，fx=Nxfc/Nc,那么

由于T为Nx周期的整数倍，因而式中第一项Nx的正负1误差为0，即△Nx/Nx=0,第三项为频率准确度，若忽略该项误差，则

显然r尺与计数器2对fc计数产生的正负1误差有关，而与fx无关.

由式（2-2）可看出测量频率的相对误差与被测信号频率的大小无关,仅与闸门时间和标准信号频率有关.闸门时间越长,标准频率越高测频的相对误差就越小.标准频率可由稳定性好,精度高的高频率晶振产生,在保证测量精度不变的前提下,提高标准信号频率,可使闸门时间缩短,即提高测试速度[3].

表2-1为标准信号频率在10KHZ和100MHZ时闸门时间与最大允许误差的对应关系:

等精度测频法的闸门时间不是固定值,而是被测信号周期的整数倍,即与被测信号同步.因此排除了对被测信号计数所产生的1个周期误差,并且达到了在整个测试频段的等精度测量.

在测量过程中,有两个计数器分别对标准信号和被测信号同时计数.首先给出闸门开启信号(预置闸门上升沿),此时计数器并不开始计数.而是等到被测信号的上升沿到来时,计数器才真正开始计数[4].然后预置闸门关闭信号(下降沿到时),计数器并不立即停止计数,而是等到被测信号的上升沿到来时才开始结束计数,完成一次测量过程.

2.2 基于单片机的等精度频率计

等精度频率计系统设计共包括五大模块：单片机控制模块、电源模块、放大整形模块、分频模块及显示模块.

（1）单片机控制模块：以AT89C51单片机为控制核心，来完成它待测信号的计数，译码，和显示以及对分频比的控制.利用其内部的定时/计数器完成待测信号周期/频率的测量[4].单片机AT89C51内部具有2个16位定时/计数器，定时/计数器的工作可以由编程来实现定时、计数和产生计数溢出时中断要求的功能.(因为AT89C51所需外围元件少，扩展性强，测试准确度高.)

（2）电源模块：为整个系统提供合适又稳定的电源，主要为单片机、信号调理电路以及分频电路提供电源，电压要求稳定、噪声小及性价高的电源.

（3）放大整形模块：放大电路是对待测信号的放大，降低对待测信号幅度的要求.整形电路是对一些不是方波的待测信号转化成方波信号，便于测量.

（4）分频模块：考虑单片机外部计数，使用12MHz时钟时，最大计数速率为500kHz，因此需要外部分频.分频电路用于扩展单片机频率测量范围，并实现单片机频率测量使用统一信号，可使单片机测频更易于实现，而且也降低了系统的测频误差.可用74HC4017进行外部十分频.

（5）显示模块：利用LCD1602液晶显示器显示待测信号的频率蓝底白字，标准型16X2液晶显示字符模块（背光/蓝屏）1602采用标准的16脚接口，是屏显驱动模块，工业字符型液晶，能够同时显示16x02即32个字符.1602液晶也叫1602字符型液晶它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块它有若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符.

综合以上频率计系统设计有单片机控制模块、电源模块、放大整形模块、分频模块及显示模块等组成，频率计的总体设计框图如图2-2.

3 总体电路图

硬件电路主要分为信号转换电路、分频电路、数据选择电路、单片机系统和显示电路五部分.其总体电路设计如图3-1所示.

此电路通过仿真分析达到了系统要求.等精度测频法比之直接计数法、周期测频法和混合测频法，不存在正负1误差，可以让人们直接得到精确度很高的频率.

4 结束语

等精度测频法是利用单片机的数据处理功能，采用双计数器对fx,fc分别进行计数，使测频误差不随被测信号频率变化的方法，因而这样就消除了正负1误差，使测频更加准确可靠.

教育期刊网 http://www.jyqkw.com
参考文献：

〔1〕宋立新.准等精度多周期同步测频法及实现[J].哈尔滨理工大学学报，1999,4（4）：20-21.

〔2〕孙涵芳，徐爱卿. MCS-51/96单片机的原理及应用.北京：北京航空学院出版社，1988.37-47，66-72.

〔3〕邓旭升.使用单片机测频的四种方法分析—兼谈等精度测频法的实现[J].测试技术学报，1996,10（2）：391-395.

〔4〕周澜景.基于PROTEUS的电路与单片机系统设计与仿真[M].北京：北京航空航天大出版社，2006.98-102.