柯龍章，楊宇卿

（鄂東職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 黃岡 438000）

頻率測(cè)量是電子測(cè)量領(lǐng)域中最基本的測(cè)量之一。傳統(tǒng)的采用中小規(guī)模數(shù)字電路構(gòu)成的測(cè)頻儀器，一般說來體積大，精度低，而高精度的專業(yè)頻率計(jì)，則計(jì)數(shù)實(shí)施方案復(fù)雜，價(jià)格昂貴。由于單片機(jī)具有控制和數(shù)據(jù)處理能力。因此用它構(gòu)成的測(cè)頻儀器不但運(yùn)算方便而且可以大大簡(jiǎn)化傳統(tǒng)的硬件電路。

當(dāng)前電子測(cè)量領(lǐng)域中頻率的測(cè)量方法眾多，使用最廣泛的就是傳統(tǒng)的直接測(cè)頻法和測(cè)周法。隨著現(xiàn)代單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展，各種測(cè)量方法均可由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，而其中等精度測(cè)頻法是現(xiàn)代頻率測(cè)量方法中最先進(jìn)的測(cè)量方法。它應(yīng)用廣泛，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，便于操作，已得到廣泛的應(yīng)用。

1 頻率測(cè)量概述

在我們的生活中，周期性現(xiàn)象十分普遍，如各種周而復(fù)始的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，往復(fù)運(yùn)動(dòng)，各種傳感器和測(cè)量電路變換后的周期性脈沖等。周期性過程重復(fù)出現(xiàn)一次所需要的時(shí)間稱為“周期”，記為T（單位是s）；單位時(shí)間內(nèi)周期性過程重復(fù)出現(xiàn)的次數(shù)稱為“頻率”，記為f（單位是Hz）。周期與頻率互為倒數(shù)關(guān)系

f=1/T

因此，f和T只要測(cè)出其中一個(gè)，便可取倒數(shù)而求得另一個(gè)。

頻率的測(cè)量方法可分為模擬法和記數(shù)法兩類。記數(shù)法具有測(cè)量精度高、速度快、操作簡(jiǎn)便、直接顯示數(shù)字、便于與微機(jī)結(jié)合實(shí)現(xiàn)測(cè)量過程自動(dòng)化等一體化等突出優(yōu)點(diǎn)，是目前最好的測(cè)頻方法，而模擬法因?yàn)楹?jiǎn)單經(jīng)濟(jì)，有些場(chǎng)合仍然采用。

2 直接方式測(cè)頻

直接方式測(cè)頻的一般原理框圖如圖1所示。它是利用計(jì)數(shù)器在閘門G開啟期間對(duì)輸入信號(hào)的周信號(hào)的頻率可表示為：

fx=N/Tg

式中，閘門時(shí)間寬度Tg由晶體振蕩器產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)頻率f0經(jīng)過n級(jí)10分頻得到，即

圖1 直接方式測(cè)頻原理框圖

可見實(shí)現(xiàn)直接記數(shù)法必須具備兩個(gè)硬件條件：①控制閘門關(guān)閉的定時(shí)電路。②對(duì)被測(cè)信號(hào)變化次數(shù)記數(shù)的計(jì)數(shù)器。充分利用8031內(nèi)部2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器就能滿足上述條件，將其中一個(gè)作為定時(shí)器控制閘門時(shí)間T，一個(gè)作為計(jì)數(shù)器用。對(duì)fx的變化次數(shù)直接記數(shù)得到N，便可求出被測(cè)頻率fx。

由于閘門時(shí)間是固定的，所以對(duì)于任意的fx卻不能保證在Tg時(shí)間內(nèi)正好有N個(gè)Tx，因此會(huì)產(chǎn)生最大±1個(gè)Tx的量化誤差dN。這樣，可得到直接方式測(cè)頻的相對(duì)誤差為：

fx=dN/N+（df0/f0）

其中df0/f0為晶體振蕩器的頻率準(zhǔn)確度，通?？蛇_(dá)10-6～10-8；dN/N為計(jì)數(shù)值的相對(duì)誤差。當(dāng)輸入信號(hào)頻率fx很低時(shí)，由于閘門時(shí)間有限而測(cè)得的N很小，因此，使得測(cè)頻誤差相應(yīng)增大，測(cè)量精度也隨之降低。直接記數(shù)法僅適用于高頻測(cè)量。

3 周期法測(cè)頻

為了減小測(cè)量低頻時(shí)的±1誤差，提高測(cè)量準(zhǔn)確度，可以采用周期測(cè)頻法。即將被測(cè)信號(hào)一個(gè)周期的時(shí)間作為閘門時(shí)間，對(duì)時(shí)鐘脈沖進(jìn)行記數(shù)。其原理圖如圖2所示。

圖2 周期法測(cè)頻原理圖

同樣實(shí)現(xiàn)該方法必須具備兩個(gè)條件：①具有使閘門時(shí)間等于被測(cè)信號(hào)一個(gè)周期的時(shí)間控制電路。②具有對(duì)時(shí)鐘信號(hào)變化次數(shù)進(jìn)行記數(shù)的計(jì)數(shù)器。用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)周期法測(cè)頻不需要任何附加電路，只要使單片機(jī)的一個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器工作在定時(shí)方式，此時(shí)該定時(shí)器對(duì)單片機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)器周期TC進(jìn)行記數(shù)。同時(shí)將fx引入P3口的一條信號(hào)線，編程監(jiān)控該信號(hào)線的狀態(tài)。使定時(shí)器的定時(shí)時(shí)間等于被測(cè)信號(hào)一個(gè)周期的時(shí)間即可。

由Tx=NTc誤差傳遞公式得：

因?yàn)?/p>

顯然在fx一定時(shí)，Tx越大，±1誤差越小，所以周期測(cè)頻法適用于低頻測(cè)量。

4 等精度測(cè)頻

等精度數(shù)字測(cè)頻的基本框圖如圖3所示。圖中的閘門G1、G2分別用來控制輸入信號(hào)周期計(jì)數(shù)和閘門時(shí)間寬度計(jì)時(shí)。其中，閘門G1與輸入信號(hào)同步，這樣可使計(jì)數(shù)器N1的量化誤差dN1=0。計(jì)數(shù)器N2對(duì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)標(biāo)信號(hào)周期Tc進(jìn)行計(jì)數(shù)，并以此來測(cè)量閘門寬度Tg。其輸入信號(hào)頻率可表示為：

fx=N1/Tg=N1/（TcN2）

標(biāo)準(zhǔn)時(shí)標(biāo)信號(hào)也由晶體振蕩器產(chǎn)生，它具有足夠的周期穩(wěn)定度，可看作常數(shù)。因此，fx的相對(duì)誤差為：

其中dN2為計(jì)數(shù)器N2產(chǎn)生的量化誤差，最大為±1個(gè)Tc。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，選擇適當(dāng)?shù)臅r(shí)標(biāo)周期Tc和閘門寬度Tg可使N2始終足夠大，并在fx的全頻段范圍內(nèi)得到足夠多的有效位數(shù)的顯示結(jié)果。

圖3 等精度測(cè)頻基本框圖

5 等精度頻率測(cè)量方法的單片機(jī)實(shí)現(xiàn)

利用AT89S51系列的單機(jī)外部中斷INT0作為測(cè)試信號(hào)輸入口，P1口通過UN2803驅(qū)動(dòng)段碼，P2.0-P2.5控制位碼。

電路如圖4所示。利用單片機(jī)中T0、T1兩個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器分別對(duì)被測(cè)信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)時(shí)標(biāo)進(jìn)行同步計(jì)數(shù)，當(dāng)被測(cè)信號(hào)為Nx個(gè)周期后，讀出標(biāo)準(zhǔn)時(shí)標(biāo)計(jì)數(shù)器中的值Ns，則輸入信號(hào)頻率可表示為：

fx=Nx/Ts

Ts為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)標(biāo)周期，對(duì)于12MHz的晶振單片機(jī)，TS=fosc/12=1μS，它具有足夠的穩(wěn)定度，可視為常數(shù)。因此，fx的相對(duì)誤差為：dfx/fx=dNx/Nx-dNs/Ns，當(dāng)計(jì)數(shù)器T1為Nx（傳統(tǒng)測(cè)頻方式Nx只能等于1）個(gè)完整周期時(shí)產(chǎn)生中斷，這時(shí)，dNX=0，有dfx/fx=-dNs/Ns，因此，實(shí)際運(yùn)用中，利用AT89S51單片機(jī)豐富的內(nèi)部資源，通過軟件設(shè)計(jì)，當(dāng)計(jì)數(shù)器T0產(chǎn)生溢出時(shí)，請(qǐng)求T1計(jì)數(shù)器中斷，這樣就能保證比傳統(tǒng)測(cè)頻精度高許多。

圖4 電路結(jié)構(gòu)圖

6 結(jié)語

以上幾種測(cè)量方法中，等精度頻率測(cè)量精度最高，它在整個(gè)被測(cè)頻率范圍內(nèi)都能達(dá)到相同的測(cè)量精度，而與被測(cè)信號(hào)頻率大小無關(guān)。雖然它的測(cè)量控制相對(duì)比較復(fù)雜，但如果在單片機(jī)控制測(cè)量系統(tǒng)中合理地使用中斷、定時(shí)計(jì)數(shù)器，以及正確準(zhǔn)時(shí)讀出計(jì)數(shù)器的值，那么就可以在不增加控制器件的情況下實(shí)現(xiàn)較高精度的等精度頻率測(cè)量。

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