电子测量学课程设计--频率测量

1

单片机频率测量实验报告

一．频率测量原理……………………………………………………………1

二．测评系统的硬件结构………………………………………………………4

三．测评模块电路设计……………………………………………………………4

四．误差分析…………………………………………………………………5

五．软件设计……………………………………………………………8

六．实验数据……………………………………………………………9

七．结论……………………………………………………………9

2

《电子测量技术》课程实验报告

摘要：本文提出了一种用Motorola公司推出的32位机中的CTM模块来快速、精确的硬件测频方法，该方法已被应用于低频低压自动减载电力自动装置中。采用这一方法，不需要专用的测频电路，简化了该装置硬件结构，同时装置性能得到改善，测频更快速、更准确。且该方法计算量小，测频速度快，特别适合于电网频率的微机实时测量。实践证明，这种方法在保证了较高测量精度的同时，能保证频率测量的快速完成，对于微型化智能测试系统的研制和进一步开发产品具有一定的参考价值和实际应用意义。

关键字：频率 测量 单片机 硬件

一、引言

电力系统频率稳定是近年来受到电力工程界广泛关注的课题。失去频率稳定性，会使系统频率崩溃而招致系统全停电；失去电压稳定性，会发生电压崩溃，从而引起大面积停电。电力系统的频率反映了发电机组发出的有功功率与负荷所需有功功率的平衡情况。目前，人们对电力系统动态频率的定义普遍沿用物理学和电工学对标准正弦交流电频率即每秒变化的周期数的定义，这种测量频率的方法就是“周期法”。不同的测频装置应用周期法测频的精度是不同的。准确的测量时间和频率在现代电力系统的运行中起着重要的作用。况且现代电力系统是一种复杂而广泛分散的结构，经常涉及多个地区。大量的发电机和用户负载是并联运作的。—个互联系统由许多控制区组成，电力从发电站传输到用户取决于许多地方测量的电力系统频率。许多场合均需要进行电网频率实时测量。传统的频率测量采用计算单位时间内电压波形过零点个数或测量波形两相邻过零点的时间间隔等方法。这些方法需占用微机的外部中断口，增加过零比较器等硬件开销，且在一些场合得不到令人满意的测量结果。因此，近年来人们开始研究基于采样值的频率测量方法，但提出的一些方法多数计算量偏大，并且在测量精度和测量速度上不能获得较好的统一，影响了实际应用。为此，本文提出一种新的频率测量方法，它同时具有很好的测量精度和计算速度。本文将在频率测量的硬件电路设计和软件滤波方法研究的基础上，提出一种实用有效的测频方法。

随着无线电技术的发展与普及，"频率"已经成为广大群众所熟悉的物理量。而单片机的出现，更是对包括测频在内的各种测量技术带来了许多重大的飞跃，

3 然而，小体积、价廉、功能强等优势也在电子领域占有非常重要的地位。为此．本文给出了一种以单片机为核心的频率测量系统的设计方法。

二、8051单片机频率测量原理

2.1测量的基本方法有两种：

测频法：在限定的时间内（如1秒钟）检测脉冲的个数。

测周法：测试限定的脉冲个数之间的时间。

这两种方法尽管原理是相同的，但在实际使用时，需要根据待测频率的范围、系统的时钟周期、计数器的长度、以及所要求的测量精度等因素进行全面和具体的考虑，寻找和设计出适合具体要求的测量方法。

2.2测频系统的硬件结构

测量频率的方法一般分为无源测频法、有源测频法及电子计数法三种。无源测频法(又可分为谐振法和电桥法)，常用于频率粗测，精度在1％左右。有源比较法可分为拍频法和差频法，前者是利用两个信号线性叠加以产生拍频现象，再通过检测零拍现象进行测频，常用于低频测量，误差在零点几Hz；后者则利用两个非线性信号叠加来产生差频现象，然后通过检测零差现象进行测频，常用于高频测量，误差在±20 Hz左右。以上方法在测量范围和精度上都有一定的不足，而电子计数法主要通过单片机进行控制。由于单片机的较强控制与运算功能，电子计数法的测量频率范围宽，精度高，易于实现。本设计就是采用单片机电子计数法来测量频率，其系统硬件原理框图如图1所示。

为了提高测量的精度，拓展单片机的测频范围，本设计采取了对信号

进行分频的方法。设计中采用两片同步十进制加法计数器74LS160来组成一个100分频器。该100分频器由两个同步十进制加法计数器74LS160和一个与非门74LS00共同设计而成。由于一个74LS160可以分频十的一次方，而当第一片74LS160工作时，如果有进位，输出端

4 TC便有进位信号送进第二片的CEP端，同时CET也为高电平，这样两个工作状态控制端CET、CEP将同时为高电平，此时第二片74LS160将开始工作。

2.3 频率测量模块的电路设计

用单片机电子计数法测量频率有测频率法和测周期法两种方法。测量频率主要是在单位定时时间里对被测信号脉冲进行计数；测量周期则是在被测信号一个周期时间里对某一基准时钟脉冲进行计数。如下图所示：

在具体频率的测量中，需要考虑和注意的因素有以下几点。

1： 系统的时钟。首先测量频率的系统时钟本身精度要高，因为不管是限定测量时间还是测量限定脉冲个数的周期，其基本的时间基准是系统本身时钟产生的。其次是系统时钟的频率值，因为系统时钟频率越高，能够实现频率测量的精度也越高。因此使用AVR测量频率时，建议使用由外部晶体组成的系统的振荡电路，不使用其内部的RC振荡源，同时尽量使用频率比较高的系统时钟。

2： 所使用定时计数器的位数。测量频率要使用定时计数器，定时计数器的位数越长，可以产生的限定时间越长，或在限定时间里记录的脉冲个数越多，因此也提高了频率测量的精度。所以对频率测量精度有一定要求时，尽量采用16位的定时计数器。

3： 被测频率的范围。频率测量需要根据被测频率的范围选择测量的方式。当被测频率的范围比较低时，最好采用测周期的方法测量频率。而被测频率比较高时，使用测频法比较合适。需要注意的是，被测频率的最高值一般不能超过测频MCU系统时钟频率的1/2，因为当被测频率高于MCU时钟1/2后，MCU往往不能正确检测被测脉冲的电平变化了。

5 除了以上三个因素外，还要考虑频率测量的频度（每秒内测量的次数），如何与系统中其它任务处理之间的协调工作等。频率测量精度要求高时，还应该考虑其它中断以及中断响应时间的影响，甚至需要在软件中考虑采用多次测量取平均的算法等。

2.4 8051测频法的误差分析

电子计数器测频法主要是将被测频率信号加到计数器的计数输入端，然后让计数器在标准时间Ts1内进行计数，所得的计数值N1。与被测信号的频率fx1的关系如下：

而电子计数器测周法则是将标准频率信号fs2送到计数器的计数输入端，而让被测频率信号fx2控制计数器的计数时间，所得的计数值N2与fx2的关系如下：

事实上，无论用哪种方法进行频率测量，其主要误差源都是由于计数器只能进行整数计数而引起的±1误差：

可见，在同样的Ts下，测频法fx1的低频端，误差远大于高频端，而测周法在fx2的高频端，其误差远大于低频端。理论研究表明，如进行n次重复测量然后取平均，则±1误差会减小n倍。如给定±1误差ε0，则要求ε≤ε0ο对测频法要fx1≥ 对测周法则要求fx2≤ε0fs2ο因此，对一给定频率信号fs进行测量时，用测频法fs1越低越好，用测周法则fs2越高越好。

6 2.5 8051单片机的测频范围和测频时间

8051单片机的定时器／计数器接口，在特定晶振频率fc=12 MHz时，可输人信号的频率上限是fx≤fc／24=500 kHz。如用测频法，则频率的上限取决于8051，故测频法的测量范围是：

即：fx1≤500 kHz。

用测频法测频时，定时器／计数器的计数时间间隔可由8051的另外一个定时器／计数器完成，外接100分频器的情况下，fx1的频率范围可扩展到50MHz

用测周法设计时，其频率的下限取决8051计数器的极限。考虑到8051内部为16位，加上TF标志位，计数范围为217，因此其最大计数时间为秒。而如果采用半周期测量，则测频范围是：

在测周法中，标准频率信号fs2由8051的内部定时结构产生，f s2恒为fc／12，因此，在给定ε0为0．0 1时，fx2既有一定的上限频率，也有一定的下限频率。即：

并由此可见得出：4Hz≤fx1≤10 kHz理论上可以达到无穷大，即fs1可以达到无穷低，因此，fx1可达到无穷小，因此，可以认为测频法的测频范围只有上限频率，没有下限频率。而再 这样，两个频率范围相叠加即可得到该频率计的测频范围：4 Hz≤fx1≤50 MHz。精度可以达到1Hz。从以上分析可以看出，测频法测量的频率覆盖范围较宽，且在高频端的测量精度较高，而在低频段的测量精度较低，同时测量时间较长。测周法测量的频率覆盖范围较窄，在高频段的测量精度较低，在低频段的测量精度较高，测量时间短。因此，测频法适于高频信号的测量，测周法适于较低频信号测量。

8051可用软件来控制定时器／计数器的工作方式，以实现测频法与测周法的动态切换。对宽频带、高速度的频率测量，可采用软件切换测量方法来提高测量精度与测量速度。其测频电路如图2所示。

7

2.6软件设计

由图2所示的测频电路可知，波形经过施密特触发器74LS132后，再经整形放大后即可变成方波，然后利用8051的定时器／计数器T0给定定时时间为10 ms，再利用8051的定时器／计数器T1作计数器，累计10 ms时间里所经过施密特触发器74LS132的方波信号。当T0定时满10 ms时，T0向CPU发出中断信号以申请中断，并进行频率测量。假设所设定的中介频率为l00／10 ms="l00"×100=10000 Hz="10" kHz，冈为fx=N／T，所以，可以将假定给定数值100与Tl进行比较，再将Tl计数器里所计的数值与给定的数值进行比较。由于在用测频法测量频率时，较小频率的误差较大(±l误差)。所以，这里用l0 kHz作为中间频率，其±1误差为9．9 kHz和1 0．1 kHz，误差率为1％，可见该误差不是很大，还可以接受。

事实上，当频率比较小于1 0kHz时，若程序选择用测量周期法。则测周法流程图及其程序如如图3所示。

四、实验数据