沈亞鈞

（太原理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院，山西太原 030024）

1 總述

單片機(jī)頻率計(jì)［1］不僅反應(yīng)快、精度高，操作也非常人性化，而且應(yīng)用范圍大、帶寬大以及成本低廉、小巧方便。它可以用來(lái)測(cè)量一定電壓范圍內(nèi)正弦波、三角波及方波。本設(shè)計(jì)是基于單片機(jī)為主控制電路，配合著一定的外圍芯片及電路而設(shè)計(jì)的一款處理數(shù)字信號(hào)的高頻頻率計(jì)，測(cè)量范圍能達(dá)到1 Hz～20 MHz，其新穎之處在于用運(yùn)了兩種測(cè)頻方法，且采用自動(dòng)分頻［2］的方式使基于單片機(jī)的頻率計(jì)能夠在低成本的前提下完成較高精度的高頻數(shù)字信號(hào)的頻率測(cè)量。

2 總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)欲設(shè)計(jì)一款基于單片機(jī)的數(shù)字頻率計(jì)［3-5］，其特色是測(cè)量范圍為1 Hz～20 MHz。對(duì)待低頻和高頻信號(hào)的測(cè)量分別使用不同的測(cè)頻方法去對(duì)待。具體總的思想是以單片機(jī)為核心，被測(cè)信號(hào)先進(jìn)入信號(hào)放大電路進(jìn)行放大，再被送到波形整形電路整形，把被測(cè)得正弦波或者三角波轉(zhuǎn)化為方波。利用單片機(jī)的計(jì)數(shù)器和定時(shí)器的功能對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。編寫相應(yīng)的程序可以使單片機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié)測(cè)量的量程，并把測(cè)出的頻率數(shù)據(jù)送到顯示電路顯示。該頻率計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)共包括五大模塊:主芯片控制模塊、分頻選擇模塊、放大整形模塊、基準(zhǔn)頻率模塊和顯示模塊。各模塊作用如下:

主芯片控制模塊:以AT89S52單片機(jī)為控制核心，來(lái)完成對(duì)待測(cè)信號(hào)的計(jì)數(shù)，譯碼和顯示以及對(duì)分頻比的控制。利用其內(nèi)部的定時(shí)/計(jì)數(shù)器完成待測(cè)信號(hào)周期/頻率的測(cè)量。單片機(jī)AT89S52內(nèi)部具有3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，定時(shí)/計(jì)數(shù)器的工作可以由編程來(lái)實(shí)現(xiàn)定時(shí)、計(jì)數(shù)和產(chǎn)生計(jì)數(shù)溢出時(shí)中斷要求的功能。

分頻選擇模塊:考慮單片機(jī)外部計(jì)數(shù)，使用12 MHz時(shí)鐘時(shí)，最大計(jì)數(shù)速率為500 kHz，因此需要外部分頻。分頻電路用于擴(kuò)展單片機(jī)頻率測(cè)量范圍，并實(shí)現(xiàn)單片機(jī)頻率測(cè)量使用統(tǒng)一信號(hào)，可使單片機(jī)測(cè)頻更易于實(shí)現(xiàn)，而且也降低了系統(tǒng)的測(cè)頻誤差。本設(shè)計(jì)使用的分頻芯片是74HC4040，選擇芯片是74LS153。

放大整形模塊:放大電路是對(duì)待測(cè)信號(hào)的放大，降低對(duì)待測(cè)信號(hào)幅度的要求。整形電路是對(duì)一些不是方波的待測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)化成方波信號(hào)，便于測(cè)量。本設(shè)計(jì)使用的放大芯片是LT1358，整形芯片是74LS132。

基準(zhǔn)頻率模塊:為了產(chǎn)生一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的頻率，這里使用了AT89C2051。這是一款類似于AT89S51的8051內(nèi)核的非總線單片機(jī)。這里運(yùn)用其一個(gè)定時(shí)器產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的頻率。

顯示模塊:鑒于大部分頻率計(jì)采用的是數(shù)碼管形式的顯示方式，為了節(jié)約用電，減小體積本設(shè)計(jì)采用液晶顯示屏顯示，融入了文字提示等信息，方便使用者觀察選擇。本設(shè)計(jì)選用LCD1602。

2.1 高頻方案

本設(shè)計(jì)對(duì)待高頻信號(hào)（＞10 kHz）欲選用多周期同步測(cè)量法［6］，在充分利用單片機(jī)計(jì)數(shù)器的條件下，實(shí)現(xiàn)更精確的測(cè)量。圖1所示即為多周期同步法測(cè)頻原理框圖。參考閘門產(chǎn)生大概的取樣時(shí)間為T，實(shí)際閘門的開啟由參考閘門和被測(cè)信號(hào)同步產(chǎn)生。當(dāng)參考閘門給出后，由隨后到來(lái)的被測(cè)信號(hào)的第一個(gè)脈沖打開兩個(gè)計(jì)數(shù)器的閘門開始計(jì)數(shù)。被測(cè)信號(hào)fx通過閘門1由計(jì)數(shù)器A計(jì)數(shù)，得到計(jì)數(shù)值Nx，標(biāo)頻信號(hào)脈沖fs通過閘門2由計(jì)數(shù)器B進(jìn)行計(jì)數(shù)，得到計(jì)數(shù)值Ns。當(dāng)參考閘門關(guān)閉后，由隨后到來(lái)的被測(cè)信號(hào)脈沖關(guān)閉兩個(gè)計(jì)數(shù)器的閘門，停止計(jì)數(shù)。則被測(cè)頻率的表達(dá)式為:fx=fs×（Nx/Ns）。

多周期同步法的測(cè)量誤差主要由Ns產(chǎn)生［7，8］。當(dāng)頻率較低（＜10 kHz），且測(cè)量信號(hào)信噪比較?。?0 dB）時(shí)，觸發(fā)誤差較大，是誤差的主要來(lái)源。當(dāng)被測(cè)頻率大于10 kHz時(shí)，誤差取決于標(biāo)頻信號(hào)的準(zhǔn)確度和分辨率帶來(lái)的誤差，兩者基本相當(dāng)。所以低頻測(cè)量時(shí)，運(yùn)用多周期測(cè)量法誤差會(huì)很大［9，10］。

圖1 多周期同步測(cè)頻法

圖2 高頻測(cè)量原理

如圖2所示，高頻測(cè)量時(shí)首先利用單片機(jī)的定時(shí)器T0進(jìn)行軟件分頻，根據(jù)定時(shí)時(shí)間的不同分出一個(gè)或幾個(gè)閘門信號(hào)，利用這些不同周期的閘門去做不同的基準(zhǔn)時(shí)間。對(duì)于不同基準(zhǔn)時(shí)間內(nèi)的頻率測(cè)量，其精度是不同的，隨著基準(zhǔn)時(shí)間的加長(zhǎng)，精度會(huì)越來(lái)越高。測(cè)頻時(shí)，根據(jù)測(cè)量精度要求，預(yù)置閘門T0控制起閉時(shí)間為t，開啟T0，同時(shí)放出待測(cè)信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。這時(shí)計(jì)數(shù)器T2和計(jì)數(shù)器T1分別對(duì)待測(cè)信號(hào)fx和標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)fc（頻率已知）同時(shí)計(jì)數(shù)，當(dāng)預(yù)置閘門控制時(shí)間Tn到達(dá)閘門關(guān)閉時(shí)，兩個(gè)計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。若兩個(gè)計(jì)數(shù)器T2、T1的計(jì)數(shù)值分別為M和N，則待測(cè)頻率的值為fx=fc×（M/N）。

2.2 低頻方案選擇

對(duì)低頻段信號(hào)（＜10 kHz）的信號(hào)采用周期測(cè)頻法。周期測(cè)量法也是頻率測(cè)量的一種常用方法，而且常常用于低頻的測(cè)量［11，12］。其原理是在被測(cè)頻率fx的一個(gè)周期內(nèi)Tx，記錄標(biāo)準(zhǔn)頻率fc的變化次數(shù)M，則有fc=M/Tx，即待測(cè)信號(hào)頻率為fx=fc/M。采用這種方法時(shí)，我只用到了單片機(jī)的T2定時(shí)器，由于T2定時(shí)器擁有捕獲功能，可以在被測(cè)信號(hào)脈沖的下降沿到來(lái)之際實(shí)現(xiàn)對(duì)此時(shí)時(shí)間的捕獲，這樣在被測(cè)頻率兩個(gè)下降沿之間就形成一個(gè)周期，產(chǎn)生兩次捕獲，而這兩側(cè)捕獲的時(shí)間差就是被測(cè)頻率的周期，其頻率就是周期的倒數(shù)。運(yùn)用這種方法可以對(duì)頻率為65 535 Hz以內(nèi)的頻率進(jìn)行測(cè)量，如圖3所示。

圖3 低頻測(cè)量原理

3 結(jié)論

本論文中對(duì)高頻測(cè)量進(jìn)行了軟件仿真，從表1中我們可以看出，隨著所測(cè)頻率的位數(shù)的增大，頻率的誤差越小。在甚低頻階段，由于仿真時(shí)只開啟高頻測(cè)量，用的是多周期同步測(cè)量法，所以可以看到由于基準(zhǔn)頻率±1的誤差而引起的±1的誤差，而對(duì)于甚低頻及低頻的測(cè)量，±1的誤差是極其影響測(cè)量效果的。這和理論預(yù)測(cè)的效果是完全吻合的。由于一些不明原因，低頻測(cè)量程序無(wú)法得到仿真。如果低頻測(cè)量程序可以開啟的話，在低頻測(cè)量時(shí)就會(huì)轉(zhuǎn)化成周期法測(cè)量。這樣由于低頻的頻率很低，其周期很大，所以單片機(jī)的反應(yīng)速度是可以跟得上的，從而避免了±1的誤差，使得低頻測(cè)量也可以達(dá)到誤差為0%。對(duì)于中頻及高頻階段，我們可以在表中看到，雖然差值隨著頻率的增大而越來(lái)越大，但是誤差百分比卻越來(lái)越小，尤其對(duì)于高頻的測(cè)量，其誤差可以小到十萬(wàn)分之幾，完全可以滿足一般用戶的需求。

由此，該頻率計(jì)驗(yàn)證了多周期同步測(cè)量法對(duì)中高頻信號(hào)的測(cè)量能力是不錯(cuò)的，但是對(duì)于低頻及甚低頻的測(cè)量卻缺陷很大。而正好周期法的優(yōu)點(diǎn)就是測(cè)量低頻信號(hào)非常準(zhǔn)確。這兩種方法的結(jié)合正好彌補(bǔ)了兩者的缺陷［13］，凸顯了兩者的優(yōu)點(diǎn)。再加上智能分頻使單片機(jī)的測(cè)量帶寬提高了一千倍以上，僅用幾個(gè)芯片搭成的低成本簡(jiǎn)單電路，使該頻率計(jì)擁有了不錯(cuò)的性價(jià)比。

表1 測(cè)量值對(duì)比表

［1］劉竹琴，白澤生.一種基于單片機(jī)的數(shù)字頻率計(jì)的實(shí)現(xiàn)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2010（1）:90-96.

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