基于单片机的频率计设计

[摘要] 本设计采用的是脉冲宽度测量法实现对频率的测量，采用了MCS-51系列的单片机AT89C51和五个硬件电路。

单片机片内有两个独立的16位定时计数器,对被测信号进行分频后送入单片机,由单片机内部时钟12分频的脉冲信号对其测量,将测量的结果,经过运算后通过LED数码管显示出来。

本文设计的频率计就是基于上述设计思路，实现测量的数字化、自动化、智能化。

[关键词] 数字频率计；频率测量；周期测量；单片机控制目录前言 (1)1测量频率的方案及基本原理 (2)1.1数字频率计的测量方案选取 (2)1.2 测量频率的基本原理 (2)2频率计的整体设计思想及设计框图 (4)2.1系统总体设计要求 (4)2.2设计思想 (4)3系统的实现 (5)3. 1硬件系统的组成 (5)3．2软件系统的设计 (10)4 被测信号的频率范围及其误差分析 (14)4.1 频率运算的基本方法 (14)4.2同步计数计时法 (16)4.3 连续采样的两种方法及其误差分析 (16)4．4所测频率最大值fxmax (21)4．5所测频率最小值fxmin (21)5 结论 (23)参考文献 (24)前言频率计是一种基础测量仪器，到目前为止已有30多年的发展史。

一直以来，人们对频率计的特性主要有如下需求：（1）足够宽的频率测量范围；（2）高精度和高分辨率。

精度是指测量的准确程度，即仪器的读数接近实际信号频率的程度，精确度越高测量越准确。

分辨率表明很小的变化都能在仪器上显示出来，高分辨率可快速测出更小的漂移值和不稳定值。

长期以来，人们测量频率的方法有两大种类：直接测量频率法，间接测量频率法。

直接测量就是依据频率的定义对被测信号进行测量，即是单位时间内（通常是一秒）发出的脉冲个数，直接测量频率法在低频误差较大，不能满足设计要求。

间接测量频率法有多种，较常用的是周期测量频率法和脉冲宽度测量法，实际上周期测量和脉冲测量方法基本相同，本论文就是用的脉冲宽度测量法实现对频率的测量，他的特点是测量迅速、灵敏，结构简单，精度高，误差小。

单片机是一门发展极快,应用方式极其灵活的使用技术。

它以灵活的设计、微小的功耗、低廉的成本,在数据采集、过程控制、模糊控制、智能仪表等领域得到广泛的应用。

微电子技术和计算机技术的飞速发展,使得现代电子系统的设计和应用进入了一个全新的时代。

高性能但结构简单的电子技术产品已经成为了市场的主体。

频率的测量在生产和科研部门中经常使用, 频率计在教学、科研、仪器测量、工业控制等方面都有较广泛的应用。

也是一些大型系统实时检测的重要组成部分。

采用单片机与频率测量技术相结合可大大提高频率计的自动化程度和灵活性,采用分频周期测量法可提高测频的精确度。

本设计是对被测信号进行分频后送入单片机,由单片机内部时钟12分频的脉冲信号对其测量,将测量的结果,经过运算后通过LED数码管显示出来。

本文设计的频率计就是基于上述设计思想。

实现测量的数字化、自动化、智能化。

众所周知，数字化、自动化、智能化已成为各类仪器仪表设计的方向,这里介绍一种用单片机控制的、全自动、数字显示的测量频率的方法。

本论文基于单片机的频率计设计针对中高频的测量，该设计具有结构简单，价格低廉，使用方便，可靠性高，可自主更改测量频率范围，灵活性强等很多优点。

1测量频率的方案及基本原理1.1数字频率计的测量方案选取频率测量方法很多，但常用的是直接测量法和间接测量法。

直接测频法是依据频率的含义把被测频率信号加到闸门的输入端,只有在闸门开通时间T(以1s 计)内,被测(计数)的脉冲送到十进制计数器进行计数。

设计数器的计数值为N,则可得到被测信号频率为f= N 。

但是由于闸门的开通、关闭的时间与被测频率信号的跳变难以同步,因此采用此测量方法在低频段的相对测量误差可能达到50%,即在低频段不能满足设计要求。

直接测频法更加简单方便可行,直接测频法虽然在低频段测量时误差较大,但在低频段我们可以采用间接测频法测量,这样就可以提高测量精度了。

间接测频法最常用的方法就是直接周期测量法。

直接周期测量法是用被测周期信号直接控制计数门控电路,使主门开放时间等于TX,时标为TS 的脉冲在主门开放时间进入计数器。

设在TX 期间计数值为N,可以根据TX=N ×TS 来算得被测信号周期。

与直接测频法相似,经误差分析,用该测量法测量时,被测信号的周期越短,测量误差越大。

也就是说,直接周期测量法在高频段时误差较大,但同样可以在高频段采用直接测频法来提高测量精度。

下面我们选择和直接周期测量法相似的脉冲宽度测量法对被测信号进行频率测量。

脉冲宽度测量，测量电路在检测到脉冲信号的上升沿时打开计数器,在下降沿时关闭计数器。

设脉冲宽度为TWX,计数时钟周期为TS =1/fs,计数结果为N,则根据TWX=N/fs=N ⨯TS 就可得出测量结果。

这种脉宽测量方法与周期测量方法基本相同。

由以上分析可得频率测量的主要思路，高频的我们可以通过分频转化为低频段进行测量。

1.2 测量频率的基本原理频率测量的主要思路是:首先被测信号通过放大器进行放大，然后对放大后的脉冲信号整形、分频，其次由单片机控制选择器选择分频通道，被选择的分频信号进入单片机，最后用单片机中的已知标准频率的信号去测量一个或几个已分频的被测信号的周期(见图1-1,以4分频为例)。

在被测信号的一个或几个周期内,通过的标准信号的脉冲个数为N,则被测信号的周期TX 如下计算[1]。

TX=T0⨯N/m （1-1） 其中m 为分频数图1-1 测频原理图N被测信号被测信号的四分频标准信号通过标准脉冲的个数 Nfxf 0/4f x标准信号周期 T0 =1/f0 （1-2） 所以被测信号频率 fx =1/Tx=m ⨯f0/N （1-3） 被测信号频率的相对误差： dfx/fx =dN/N+dfo/f0 (1-4) ∆fx=∆N + ∆f0 （1-5） 即：∆fx=∆N + ∆f0为被测信号的相对误差; ∆N= dN/N =±1/N 为读数的相对误差,即量化误差;∆fo=df0/f0 为标准频率的相对误差,由石英晶体振荡器决定,石英稳定度达1010-～1110-,所以相对误差很小。

若不考虑标准频率的误差,则被测信号的相对误差为:NN dN N f 1±==∆≈∆ (1-6)根据以上分析,被测信号的相对误差取决于N,N 越大,被测信号频率的精度越高。

由于标准信号f0不变,可采用对被测信号fx 进行m 分频的方法,来提高N,从而减小相对误差,提高被测频率的精度。

2频率计的整体设计思想及设计框图2.1系统总体设计要求测量范围：根据分频数值m 自由设定 测量信号电压： 0.5V 显示方式：6位LED 数显频率测量、周期测量、自校、记数功能2.2设计思想单片机中一般都设有定时计数器,如MCS-51系列的单片机片内有两个独立的16位定时计数器, 本设计是对被测信号进行分频后送入单片机,由单片机内部时钟12分频的脉冲信号对其测量,将测量的结果,经过运算后通过LED 数码管显示出来。

本文设计的频率计就是基于上述设计思想从而实现测量的数字化、自动化、智能化。

提高频率计的工作频率只能在硬件选材上下工夫。

本文所设计的频率计,为了能实现对超高频的信号进行测频,保证测量的高精度,在硬件选材方面做如下选择:选用了前置分频器CC74HC4040,其特点是工作频率高，且可工作于输入正弦信号的场合。

选用了带施密特触发器的反相器7414。

单片机的12MHz 晶振选用超高精度的晶体振子TCXO 器件,它具有对温度进行自动补偿的功能,其稳定度可达±3PPM 。

单片机选用89C51,其片内有4KB 的E2PROM 、128B 的RAM,故整个系统比较简单。

整个电路的功能框图[2]：图2-1 系统结构框图波形放大整形分频多路开关单片机显示fx3系统的实现数字频率计是用数字显示被测信号频率的仪器，被测信号可以是正弦波，方波或其它周期性变化的信号。

如配以适当的传感器，可以对多种物理量进行测试，比如机械振动的频率，转速，声音的频率以及产品的计件等等。

因此，数字频率计是一种应用很广泛的仪器系统实现包括硬件系统的实现和软件系统的实现。

硬件系统五个电路单元和一个AT89C51单片机：软件系统设计的实现包括两个部分，主程序的设计和中断服务子程序的设计。

软硬件的紧密配合，才能使频率计稳定、精确的工作。

3. 1 硬件系统的组成硬件系统包括五个电路单元和一个单片机A T89C51。

硬件系统的五个电路单元分别为：（1）放大电路，（2）整形电路，（3）分频处理电路，（4）多路开关，（5）单片机外围电路及其显示电路。

下面图3-1是系统的硬件电路图[3]。

图3-1 系统的硬件电路框图下面分别对他们的作用和功能作简单的介绍。

3．1．1放大电路前向通道是由放大、整形、分频、多路开关四级电路组成(见上图3-1)。

第一级电路是由开关三极管组成的零偏置放大电路(见下图3-2)。

输入信号R1R2T图3-2 零偏置放大电路开关三极管组成的零偏置放大电路用来保证放大电路具有良好的高频响应, 当输入信号为零或负电压时, 三极管工作在截止状态,输出为高电平,当输入为正电压时,三极管工作在饱和状态，即导通状态,输出电压随输入电压上升而下降。

零偏置放大器可把正负交替波形变换成单向脉冲，该电路可以测量任意方波信号、正弦波信号、锯齿波信号、三角波信号等频率。

放大器的放大能力实现了对小信号的测量，三极管应采用开关三极管以保证放大器具有良好的高频应。

3．1．2整形电路前向通道的第二级电路即为整形电路。

整形电路采用带施密特触发器的反相器7414，其主要作用是对放大器输出的信号进行整形,使其输出的信号脉冲与后级电路相兼容。

也就是他用于把放大器生成的单向脉冲变换成与CMOS电平相兼容的方波。

3．1．3分频处理电路前向通道的第三级电路即为分频处理电路。

第三级采用12位二进制异步计数器CC74HC4040,对整形后的信号进行分频, 对输入信号的分频,从12个输出端输出的分别是对被测信号进行21、22、23、24、25、26、27、28、29、210、211、212分频,而该系统只取前八个输出与后级八选一电路中八个输入端相连。

3．1．4多路开关前向通道的第四级电路即为多路开关电路，也就是八选一数据选择器。

第四级电路是由CC74HC151构成的多路开关(见上图3-1),将数据选择器的输出端直接与单片机的外中断INT1相连,通道的控制信号A2、A1、A0与CPU的I/O端P3.2、P3.1、P3.0相连,根据对被测信号相对误差的要求,CPU给出对应的控制信号,选择相应的分频输入通道,被测信号通过INT1的引脚向CPU申请中断。