单片机数字频率计

                    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 ATV 2500) 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 1 µs 。 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

                          F x/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 60 MHz 的晶体振荡器，则有

                        |δ|≤1/Νs                                       

    若顶置门时间 Tpr ＝ o ． 1s ，则

                  Ns=0.1 × 60000000=6000000,     |δ|≤1.6 × 10¯⁶

可见，在整个测量范围内，精度比赛题发挥部分的要求高一个数量级，若采用更高频串的晶体振荡器或适当延长顶置门时间，精度则会更高。

    以上四种方法中，倍频法虽然在理论上可以达到很高的精度，但在低频段，就目前常规的锁相器件而言，锁相电路工作性能不理想，频率小于 looHz 时甚至不能工作 .

    前三种方法本质上都是立足于频率基本定义，没有摆脱传统的测量方法的局限。从下文的详细论述中可以看出，用方法 (4) 可以用 单片机 程序方便地完成宽位浮点数的数学运算，实现高精度测量。

    基于上述论证及第二部分中详细的理论分析，我们拟选择方法 (4) 。

3.4   周期测量模块

    (1) 直接周期测量法   用被测信号经放大整形后形成的方波信号直接控制计数门控电路，使主门开放时间等于信号周期 Tx, 时标为 Ts 的脉冲在主门开放时间进入计数器。设 T 为被测周期， Ts 为时标，在 Ts 期间计数值为 N ，可以根据以下公式来算得被测信号周期：

                       Tx=NTs                                          (3.15)

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