单片机数字频率计

频率测量在科技研究和实际应用中的作用日益重要。传统的频率计通采用组合电路和时序电路等大量的硬件电路构成，产品不但体积较大，运行速度慢，而且测量低频信号时不宜直接使用。频率信号抗干扰性强、易于传输 , 可以获得较高的测量精度。同时 , 频率测量方法的优化也越来越受到重视 . 并采用 AT89C51 单片机 和相关硬软件实现。

MCS — 51 系列 单片机 具有体积小，功能强，性能价格比较高等特点，因此被广泛应用于工业控制和智能化仪器，仪表等领域。我们研制的频率计以 89c51 单片机为核心，具有性能优良，精度高，可靠性好等特点。

    实现一个宽频域，高精度的频率计，一种有效的方法是：在高频段直接采用频率法，低频段采用测周法。一般的数字频率计本身无计算能力因而难以使用测周发，而用 89c51 单片机 构成的频率计却很容易做到这一点。对高频段和低频段的划分，会直接影响测量精度及速度。经分析我们将 f=1MHz 做为高频，采用直接测频法；将 f=1Hz 做为低频，采用测周期法。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 。

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