单片机数字频率计Word下载.docx

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为了提高测量精度，我们又对高低频再进行分段。

以89C51单片机为控制器件的频率测量方法，并用C语言进行设计，采用单片机智能控制，结合外围电子电路，得以高低频率的精度测量。

最终实现多功能数字频率计的设计方案，根据频率计的特点，可广泛应用于各种测试场所。

在基础理论和专业技术基础上，通过对数字频率计的设计，用十进制数字来显示被测信号频率的测量装置。

以精确迅速的特点测量信号频率，在本设计在实践理论上锻炼提高了自己的综合运用知识水平，为以后的开发及科研工作打下基础。

2方案设计与初步论证：

2.1.频率测量方法概述

频率测量方法

模拟法

数字法

直读法

比较法

电容充放电式

电子计数式

电桥法

谐振法

差频法

示波法

拍频法

李沙育图形法

测周期法

表1 

频率测量方法

直读法又称无源网络频率特性测量法;

比较法是将被测频率信号与已知频率信号相比较,通过观、听比较结果,获得被测信号的频率;

电容充放电式计数法是利用电子电路控制电容器充放电的次数,再用电磁式仪表测量充放电电流的大小,从而测出被测信号的频率值;

电子计数法是根据频率定义进行测量的一种方法,它是用电子计数器显示单位时间内通过被测信号的周期个数来实现频率的测量。

利用电子计数式测量频率具有精度高、测量范围宽、显示醒目直观、测量迅速,以及便于实现测量过程自动化等一系列优点,所以下面将重点介绍电子计数式测量频率的几种方法。

（1）脉冲数定时测频法（M法）:

此法是记录在确定时间Tc内待测信号的脉冲个数Mx,则待测频率为:

　Fx=Mx/Tc 

显然,时间Tc为准确值,测量的精度主要取决于计数Mx的误差。

其特点在于:

测量方法简单;

测量精度与待测信号频率和门控时间有关,当待测信号频率较低时,误差较大。

⑵脉冲周期测频法（T法）:

此法是在待测信号的一个周期Tx内,记录标准频率信号变化次数Mo。

这种方法测出的频率是:

Fx=Mo/Tx 

此法的特点是低频检测时精度高,但当高频检测时误差较大。

⑶脉冲数倍频测频法（AM法）:

此法是为克服M法在低频测量时精度不高的缺陷发展起来的。

通过A倍频,把待测信号频率放大A倍,以提高测量精度。

其待测频率为:

Fx=Mx/ATo 

其特点是待测信号脉冲间隔减小,间隔误差降低;

精度比M法高A倍,但控制电路较复杂。

⑷脉冲数分频测频法（AT法）:

此法是为了提高T法高频测量时的精度形成的。

由于T法测量时要求待测信号的周期不能太短,所以可通过A分频使待测信号的周期扩大A倍,所测频率为:

Fx=AMo/Tx 

其特点是高频测量精度比T法高A倍;

但控制电路也较复杂。

⑸脉冲平均周期测频法（M/T法）:

此法是在闸门时间Tc内,同时用两个计数器分别记录待测信号的脉冲数

Mx和标准信号的脉冲数Mo。

若标准信号的频率为Fo,则待测信号频率为:

Fx=FoMx/Mo 

M/T法在测高频时精度较高;

但在测低频时精度较低。

⑹多周期同步测频法:

是由闸门时间Tc与同步门控时间Td共同控制计数器计数的一种测量方法,待测信号频率与M/T法相同。

此法的优点是,闸门时间与被测信号同步,消除了对被测信号计数产生的±

1个字误差,

测量精度大大提高,且测量精度与待测信号的频率无关,达到了在整个测量频段等精度测量。

3确定实验方案

3．1可用实验方案介绍

3.1.1方案1

采用频率计模块（如ICM7216）构成,原理框图如图3.2所示。

特点是结构简单,量程可以自动切换。

ICM7216内部带有放大整形电路,可以直接输入模拟信号。

外部振荡部分选用一块高精度晶振体和两个低温系数电容构成10MHz并联振荡电路。

用转换开关选择10ms,0.1s,1s,10s四种闸门时间,同时量程自动切换。

缓冲电路是为了让频率计采用记忆方式,即计数过程中不显示数据,待计数过程结束后,显示测频结束,并将此显示结果保持到下一次计数结果,显示时间不小于1s,小数点位置随量程自动移动。

芯片驱动电路输出15mA—35mA的峰值电流,所以在5V电源下可直接点亮LED。

图3.2 

ICM7216测频电路原理框图

3.1.2方案2：

系统采用可编程逻辑器件（PLD，如ATV2500）作为信号处理及系统控制核心，完成包括计数、门控、显示等一系列工作。

该方案利用了PLD的可编程和大规模集成的特点，使电路大为简化，但此题使用PLD则不能充分发挥其特点及优势，并且测量精度不够高，导致系统性能价格比降低、系统功能扩展受到限制。

原理框图如图B—1—2所示

3．1．3方案3:

系统采用MCS——51系列单片机8032作为控制核心，门控信号由8032内部的计数定时器产生，单位为1µ

s。

由于单片机的计数频率上限较低（12MhZ晶振时约500khz），所以需对高频被测信号进行硬件欲分频处理，8032则完成运算、控制及显示功能。

由于使用了单片机，使整个系统具有极为灵活的可编程性，能方便地对系统进行功能扩展与改进。

原理框图如B—1—3所示。

3.2方案比较及确定

以上方案均需使用小信号放大、整形通道电路来提高系统的测量精度和灵敏度。

方案比较及选用依据：

显然方案二要比方案一简洁、新颖，但从系统设计的指标要求上看，要实现频率的测量范围0．1Hz-10MHz。

以频率下限0.1Hz比来说，要达到误差〈0．01％的目的，必须显示5位的有效数字，而使用直接测频的方法，要达到达个测量精度，需要主门连续开启1000S，由此可见，直接测频方法对低频测量是不现实的，而采用带有运算器的单片机则可以很容易地解决这个问题，实现课题要求。

也就是采用先测信号的周期，然后再通过单片机求周期的倒数的方法，从而得到我们所需要的低频信号的测量精度。

另外由于使用了功能较强的8032芯片，使本系统可以通过对软件改进而扩展功能，提高测量精度。

因此我们选择采用方案三作为具体实施的方案。

3.3 

频率测量模块

对数字频率计电路各模块的实现有以下几种不同设计方案：

对频率测量模块有以下四种实现方法：

（1）直接测频法 

直接测频法是把被测频率信号经脉冲形成电路后加到闸门的一个输入端，只有在闸门开通时间T（以秒计）内，被计数的脉冲被送到十进制计数器进行计数。

设计数器的值为N，由频率定义式可以计算得到被测信号频率为

f=N/T 

（3.9）

经分析，本测量在低频段的相对测量误差较大。

增大T可以提高测量精度，但在低频段仍不能满足该题发挥部分的要求。

（2）组合法 

直接测量周期法在低频段精度高。

组合测频法是指在低频时采用直接测量周期法测信号周期，然后换算成频率。

这种方法可以在一定程度上弥补方法

（1）的不足，但是难以确定最佳分测点，且电路实现较复杂。

（3）倍频法 

直接测频法在高频段有着很高的精度。

可以把频率测量范围分成多个频段，使用倍频技术，根据频段设置倍频系数将经整形的低频信号进行倍频后再进行测量，高频段则进行直接测量。

（4）高精度恒误差测频法 

通过对传统的测量方法的与研究，结合高精度恒误差测量原理，我们设计里一种测量精度与被测频率无关的硬件测频电路。

本方法立足于快速的宽位数高精度浮点数字运算。

图3.4 

预置门控信号图

如图3.4所示，预置门控信号是一个宽度为Tpr的脉冲，CNT1，CNT2是两个可控计数器，标准频率信号从CNT1的时钟输入端CLK输入，其频率为Fs；

经整形后的被测信号从CNT2的时钟输入端CLK输入，其频率为Fxe，测得Fx。

当预置门控信号为高电平时，经整形后的被测信号的上升沿通过D触发器的Q端同时启动计数器CNT1，CNT2。

CNT1，CNT2分别对整形后的被测信号（频率为Fx）和标准频率信号（频率为Fs）同时计数；

预置门信号为低电平时，经整形后的被测信号的一个上升沿将使这两个计数器同时关闭。

设在一次预置时间Tpr中对被测信号计数值Nx,对标准频率信号的计数值Ns，则下式成立

Fx/Nx=Fs/Ns 

推得 

Fx=（Fs/Ns）·

Nx 

相对误差公式 

δ=±

（2/Nδ+Fδ/Fδ） 

从误差分析中可以看出，其测量精度为Ns和标准频率精确度有关，而与被测频率无关。

显然Ns决定于预置门时间和标准频率信号的频率，其关系式如下：

Ns=Tpr·

Fs 

如果采用频率为60MHz的晶体振荡器，则有

|δ|≤1/Νs 

若顶置门时间Tpr＝o．