基于单片机的等精度数字测频装置的原理及实现

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1、基于单片机的等精度数字测频装置的原理及实现

2、第1内容显示中摘要：提出了一种基于单片机的等精度数字测频装置的实现方案。介绍了利用单片机的内部计数器和程序运算功能进行等精度频率测量和显示的实现方法。给出了测量原理和装置的设计思想，最后讨论了装置的性能指标。关键词：单片机；等精度；测频；浮点运算　　传统的数字频率计具有8位或更多位的数码显示位数。这些频率计在测量高频信号时能够达到足够高的测量精度，但在测量低频信号时，其测量结果的有效位数将会减少，精度也会相应降低，有时不得不进行周期测量，因为传统的频率计采用的是直接测频法。如果输入信号频率的动态范围较大，为了保证其测量精度，就需要频繁地

3、人工切换测频和测周方式。而这两种方式的显示单位又不同，这就给观察频率的连续变化带来极大的不便。而本文提出的基于单片机的等精度数字测频装置，是利用单片机的内部计数器和程序运算功能，来进行等精度频率测量和显示的，因此不需要其它的测量辅助电路。当输入信号频率大幅度变化时，该测量装置能以相同的有效位数来测量和显示信号频率及其变化。1直接方式测频原理　　直接方式测频的一般原理框图如图1所示。它是利用计数器在闸门G开启期间对输入信号的周期进行计数来完成测频的。若设计数值为N，则输入信号的频率可表示为：500)this.style.ouseg(this)">　　式中，闸门时间宽度Tg由晶体振荡

4、器产生的标准频率f0经过n级10分频得到，即500)this.style.ouseg(this)">500)this.style.ouseg(this)">　　由于闸门时间是固定的，所以对于任意的fx却不能保证在Tg时间内正好有N个Tx，因此会产生最大±1个Tx的量化误差dN。这样，可得到直接方式测频的相对误差为：500)this.style.ouseg(this)">其中df0／f0为晶体振荡器的频率准确度，通常可达10－6～10－8；dN／N为计数值的相对误差。当输入信号频率fx很低时，由于闸门时间有限而测得的N很小，因此，使得测频误差相应增大，测量精度也随之降低。这是直接测

5、频方式的固有缺陷。2等精度数字测频原理　　等精度数字测频的基本框图如图2所示。图中的闸门G1、G2分别用来控制输入信号周期计数和闸门时间宽度计时。其中，闸门G1与输入信号同步，这样可使计数器N1的量化误差dN1＝0。计数器N2对标准时标信号周期Tc进行计数，并以此来测量实际的闸门宽度Tg。其输入信号的频率可表示为：500)this.style.ouseg(this)">标准时标信号也由晶体振荡器产生，它具有足够的周期稳定度，可看作常数。因此，fx的相对误差为：500)this.style.ouseg(this)">500)this.style.ouseg(this)">　　其中d

6、N2为计数器N2产生的量化误差，最大为±1个Tc。在实际设计中，选择适当的时标周期Tc和闸门宽度Tg可使N2始终足够大，并在fx的全频段范围内得到足够多的有效位数的显示结果。3基于单片机的等精度数字测频方案　　MCS－51系列单片机具有两个16位的定时器／计数器T1和T0，它们可分别代替图2中的计数器N1和N2；单片机的外部中断功能可方便地实现闸门开关与被测信号的跳变沿同步；利用单片机的数据运算能力可编制相应的乘除法程序，并实现测量结果的等精度显示。等精度数字测频装置的最简方案如图3所示。其软件流程和波形时序分别如图4和图5所示。设在t0时刻系统开始进行初始化，T1和T0分别设置

7、为计数器和定时器来对输入信号和时标信号进行计数，它们的初始值均为0。时标信号的频率在单片机内固定为fc＝fosc／12，fosc为单片机的时钟频率。外部中断INT1通常可设置为边沿触发，开放INT1和T0的中断允许。在t1时刻，输入信号的跳变沿产生第一次INT1中断时，开放T1和T0的计数闸门并关闭自身的中断允许。当T0计数满溢出时，可在t2时刻产生T0中断，记录自身的中断次数n，再次开放INT1的中断允许。T0溢出后将从0开始继续计数，直到t3时刻由输入信号产生第二次INT1中断，然后关闭T1和T0以完成一次测量过程。T1中的计数值代表了输入信号完整的N1个周期。设T0中的“剩

8、余”读数为N2＇。则被测信号的频率可由下式计算：500)this.style.ouseg(this)">500)this.style.ouseg(this)">500)this.style.ouseg(this)">500)this.style.ouseg(this)">　　图5所示的输入信号频率相对较高。在一次测量过程中只中断一次，而其间有多个输入信号脉冲。如果信号频率很低，T0将多次溢出中断，闸门的启闭取决于相邻的两个信号脉冲。由此可见，测量闸门的时间宽度是自动可变的，最长为