电子信息工程论文 - -基于单片机的等精度数字测频

基于单片机的等精度数字测频

在电子技术领域内，频率是一个最基本的参数，频率与其他许多电参量的测量方案，测量后果都有十分密切的关系。因此，频率的测量就显得更为重要，而且，目前在电子测量中，频率的测量精确度最高。

由于数字电路的飞速发展和数字集成电路的普及，电子计数器已成为近代测量的重要手段。它可严格按照式f=N/T所表达的频率的定义进行测频，原理方框图如图1所示。

放大整形 闸 门 计数译码显示 fx 门控信号 石英放大整形 分 频 控制电源 振荡器 图1：电子计数器测频原理方框图

首先，被测信号通过放大整形，形成幅度一致，形状一致是计数脉冲。然后，M将它加到闸门的一个输入端，闸门由门控信号来控制其关闭时间。计得的脉冲送至译码，再送显示器显示出来。而由晶振产生的1MHz的振荡信号经放大整形，形成方波，经多个10分频10s,1s,0.1s,0.01s,1ms,那么有fx=N/T符合测频定义。根据f=N/T，不难看出，采用计数器测频的测量误差，一方面决定于闸门时间T准不准确，即由晶振提供的标准频率的准确度ΔT/T=-(Δfo/fo)；另一方面决定于计数器计得的数准不准，即“±1误差”，ΔN/N=±1/N=±（1/T*fx）。所以，计数器直接测频的误差主要有两项，即±1误差和标准频率误差。测低频时，由于±1误差产生的测频误差大得惊人，所以不宜采用直接测频方法。由于fx较低时，利用计数器直接测频，由±1误差所引起的测频误差将会大的不可允许的程度。所以，为了提高测量低频时的准确度，即减少±1误差的影响，可改成先测周期Tx，然后计算fx=1/Tx。

测量原理：首先Tx经放大整形控制双稳态触发器形成门控信号，控制闸门的开闭；然后晶振产生的1MHz的振荡信号，经放大整形形成方波，产生幅度一致，形状一致是计数脉冲。当闸门打开时，对计数脉冲进行计数；闸门关闭时，停止计数。计得的脉冲送译码，送显示。

石英 振荡器

Tx

图2：电子计数器测周期原理图

8XX51单片机的定时器T1由TH1，TL1组成，定时器T0由TH0，TL0组成。它们均为八位寄存器，映射在特殊功能寄存器中，占地址8AH~8DH。它们用于存放定时或计数的初始值。此外，内部还有一个八位的方式寄存器TMOD和一个八位的控制寄存器TCON，用于选择定时器的工作方式，如计数还是定时（C/ˉT），启动的方式（GATE）及发启动控制信号TRx。

÷12 OSC TFx TL（8位）THx(8位) Ta脚 控制 & TR GATE 1 ≥ 1 INTx脚 图3：定时器工作原理图

定时和计数实质都是对脉冲的计数，只是被计的脉冲的来源不同，定时方式的计数初值和被计脉冲的周期有关，而计数方式的计数初值只和被计脉冲的个数有关（计由高到低的边沿数）。

（以8031为例）8031单片机内含有两个16位可编程定时/计数器。均可编程对内部机器周期计数（定时方式），或对外部引脚输入的脉冲进行计数（计数方式）。CPU工作于12MHz主频时，外部最高计数频率500KHz，内部时钟计数频率达1MHz。定时器的基准定时脉冲周期为1μs，当采用测频方式时，T/C0编程

放大整形 闸 门 计数译码显示 门控信号 放大整形 分 频 为计数方式，对被测信号频率计数，产生欲置的检测时间。由于定时器最长的定时时间为65535s，欲产生更长的检测时间需使用软件计数器，中断多次即可获得所需检测时间。被测频率较低时，则选用测周方式；T/C1编程为定时方式，用来对m个输入脉冲周期所经历的时间计时。

微处理器的主要优点之一是可以利用微处理器的数据处理能力，减小测量过程中产生的随机误差和系统误差，从而提高测量精度，所以往往把单片机运用在电子测量过程中，来提高测量精度。

预置输入 测量时间 计数器Nx 预置门 频 率 计 输出 数 计数器No 控制门 同步门 Fx 时标Fo

图4：等精度测量原理框图

实现等精度测量原理，关键是使Nx不产生误差，而No不超过±1误差。利用PC机总线技术，设计了相应的控制门电路，实现对被测频率信号的计数及相应的精确闸门时间，并使闸门的开启与关闭和被测信号的有效跳变同步。 预置门的打开和关闭由被测信号和预置的测量时间控制，计数器Nx在预置门的控制下对被测信号频率计数，控制门根据预置门产生一个与被测信号同步的同步门；计数器No在同步门的控制下对时标计数，得到精确的闸门时间Tg。设时标周期为To，则被测频率Fx=Nx/NoTo。

单片机采用定时1秒的测频法先对信号进行预测，软件根据频率高低自动选择检测时间或周期扩展倍数，以保证各档都有较高测量精度。当输入信号频率超过100kHz时，信号经扩展计数器分频后送入8031按测频法测量，频率检测时间设有三档，分别为0.01s、0.1s、1s。在转入周期测量后，信号直接送入单片机，周期扩展倍数有104、103、102、10、1五档。

由于单片机的最高计数频率为500kHz，限制了测频范围，必须对高频进行分频。扩展n分频器后，将会产生分频误差。这个n分频最大将导致(n-1)个待测频率周期的分频误差。该误差量级与“±1”误差相当，甚至更大。为了提高测频分辨率，我们采用了硬件同步分频技术，即在闸门开启的有效上升沿时刻，对74LS591分频器清零。在闸门关闭时刻，将分频状态打入总线缓冲器74LS244，8031通过缓冲器读出其值,从而消除了“分频误差”。

在本系统中，T/C1编程为定时方式时，在12MHz晶振下其最大定时时间只有65.536ms，需采用软件来扩展计数器的容量。即计数器每溢出中断一次,片内RAM的内容加一计数，这样大大扩大了单片机的计数范围。但同时也引入了中断响应的时间误差，我们称之为“软件误差”。频率计的核心是时间基准的正确性，因此在中断后重置定时器时间常数时，不能简单地采用重置办法。从单片机的中

断响应系统及其响应过程可知:(1)定时器每次溢出中断时，WAIT语句必须执行完才能响应，该条指令的执行时间为2μs，我们取其平均延迟时间为1μs；(2)CPU响应中断到执行中断服务程序首条指令至少需3个完整的机器周期，即延3μs；(3)中断服务程序中实际的定时时间是在执行完时间常数的装载指令后才开始，两条装载指令占用4μs。根据以上分析。每次中断后，将延迟约8μs后才开始定时。实际获得的定时时间必须考虑到8μs的延迟，该频率计采用软件补偿的处理方法来降低其影响。由于软件修正相当方便在仪器调试中可作进一步的调整,因此基本上可消除软件误差。

频率计根据被测信号频率的大小，软件控制自动切换频率检测时间，或自动转换为周期测量，选择适当的周期扩展倍数。其软件设计采用模块化结构设计，程序设计与调试都很方便，功能扩充也很灵活。单片机上电复位后，首先执行主程序,完成有关芯片和定时器的初始化，设置数据缓冲区、显示方式、数据计数器初值及频率初测方式等。开中断后，随时检测外部中断和定时器所发出的中断请求信号，一旦有则转入相应的中断服务程序，否则返回显示程序，显示所测的频率值。

参考文献：

[1]蒋焕文 孙续，《电子测量》，中国计量出版社，1988年 [2]杨光友 朱宏辉等，《单片微型计算机原理及接口技术》，中国水利水电出版社， 2002年 [3]夏雪生，《微机化仪器设计》，科学出版社，1988年 [4]夏雪生，《微处理机测试装置》，上海科学技术文献出版社，1988年 [5] 马炫，《等精度频率脉冲信号采集测试系统》，西安理工大学，

1997.11(3).50-52.

单片机在等精度测频中的应用-

频率检测是电子测量领域的最基本测量之一,它与许多电气参数的测量都有着十分密切的关系。单片机具有控制灵活、性价比高的特点,为了充分挖掘其测频潜力,我们设计了一种由8031单片机控制的自动频率计。

1 测量原理8031单片机内含两个16位可编程定时/计数器,均可编程对内部机器周期计数(定时方式),或对外部引脚输入的脉冲进行计数(计数方式)。CPU工作于12MHz主频时,外部最高计数频率500kHz,内部时钟计数频率达1MHz,定时器的基准定时脉冲周期为1μs,因而选用8031构成频率计是比较理想的。当采用测频方式时,T/C0编程为计数方式,对被测信号频率计数。T/C1编程为定时方式,对内部时钟脉冲计数,产生预置的检测时间。由于定时器最长的定时时间为65535s,欲产生更长的检测时间需使用软件计数器,中断多次即可获得所需检测时间。被测频率较低时,则选用测周方式。T/C1仍编程为定时方式,用来对m个输入脉冲周期所经历的时间计时。

为提高测量精度,输入脉冲同时也被引到INT0脚,在脉冲的下跳沿产生一个中断请求,CPU在两种情况下响应这个中断请求:(1)每次采样开始时,响应这个中断请求,启动定时器开始计时,保证了与输入信号同步,从而使计数误差由±1个减小到±0.5个,(2)在转入周期测量后,响应这个中断请求,关闭T/C1的计时,将T/C1的计数值乘以机器周期便得到m个输入

信号的周期。除了以上两种情况,INT0的中断请求是被屏蔽的。

2 硬件设计我们只用很少的硬件和一些价格低廉的器件就构成了一台中高精度的自动频率计(最大允许误差为10-5数量级)。它主要由单片机最小系统、放大整形电路、分频电路等组成。2.1 单片机最小系统及LED显示电路频率计采用控制灵活、性价比高的8031单片机做主机,与4k程序存贮器EPROM2732、地址锁存器74LS373构成单片机最小系统。由于8031的两个定时/计数器已全部用于频率检测,难以用于实现动态扫描所需的定时功能,故本系统采用静态显示方式。因此,软件设计简单,不需CPU不停地扫描,节省CPU时间。本系统LED的驱动电流由6片串入并出移位寄存器74LS164提供,74LS164串级后与8031的串行口相连,串行口工作于操作模式0,即作同步移位寄存器用。

2.2 放大整形电路频率计作为一种通用测试仪表,输入信号幅值变化较大。图1所示电路就是对幅值过大或过小的信号均能自动进行调节,并用隔直电容滤掉信号的直流成分,信号的交变成分通过比较器A2整形,使其整形为符合TTL电平规范的数字信号波形。4051多路模拟开关和输入宽带运放A1构成一比例系数可调的放大器。8031单片机通过P1.4、P1.5、P1.6三位来选通不同的反馈电阻(分别为2k、10k、50k、250k、1M、5M、25M、100M),使之对信号有不同的放大(或衰减)倍数。比较器A3用于判断信号的幅值是否达到2.5伏,8031通过查询P1.7的状态来判断信号幅值是否达到2.5伏,如果不够2.5伏,则继续增大比例系数。程序初始化时,8031控制P1.4、P1.5、P1.6三位均输出低电平,4051多路模拟开关选通X=X0,反馈电阻为2k,比例系数=1/250,被测信号衰减250倍。然后,8031通过判断P1.7的状态来不断增大比例系数,直到信号的幅值达到所要求的范围。

2.3 扩展计数器(分频器)8031最高计数频率有500kHz(12MHz/24)。如图2所示,为了提高频率检测上限,我们扩展了一片八位二进制计数器74LS591。74LS591只用于高频信号的频率测量,其最高响应频率为120MHz。74LS591与8031的T0串接,构成24位二进制计数器,8031通过总线缓冲器74LS244来读取扩展计数器的计数值。

3 提高测量精度的措施

等精度测量

单片机采用定时1秒的测频法先对信号进行预测,软件根据频率高低自动选择检测时间或周期扩展倍数,以保证各档都有较高测量精度。当输入信号频率超过100kHz时,信号经扩展计数器分频后送入8031按测频法测量,频率检测时间设有三档,分别为0.01s、0.1s、1s。在转入周期测量后,信号直接送入单片机,周期扩展倍数有104、103、102、10、1五档。 分频误差

由于单片机的最高计数频率为500kHz,限制了测频范围,必须对高频进行分频。扩展n分频器后,将会产生分频误差。这个n分频最大将导致(n-1)个待测频率周期的分频误差。该误差量级与“±1”误差相当,甚至更大。为了提高测频分辨率,我们采用了硬件同步分频技术,即在闸门开启的有效上升沿时刻,对74LS591分频器清零。在闸门关闭时刻,将分频状态打入总线缓冲器74LS244,8031通过缓冲器读出其值,从而消除了“分频误差”。 软件误差

在本系统中,T/C1编程为定时方式时,在12MHz晶振下其最大定时时间只有65.536ms,需采用软件来扩展计数器的容量。即计数器每溢出中断一次,片内RAM的内容加一计数,这样大大扩大了单片机的计数范围。但同时也引入了中断响应的时间误差,我们称之为“软件误差”。频率计的核心是时间基准的正确性,因此在中断后重置定时器时间常数时,不能简单地采用重置办法。从单片机的中断响应系统及其响应过程可知:(1)定时器每次溢出中断时,WAIT语句必须执行完才能响应,该条指令的执行时间为2μs,我们取其平均延迟时间为1μs;(2)CPU响应中断到执行中断服务程序首条指令至少需3个完整的机器周期,即延迟3μs;(3)中断服务程序中实际的定时时间是在执行完时间常数的装载指令后才开始,两条装载指令占用了4μs。根据以上分析,每次中断后,将延迟约8μs后才开始定时。实际获得的定时时间必须考虑到8μs的延迟,该频率计采用软件补偿的处理方法来降低其影响。由于软件修正相当方便,在仪器调试中可作进一步的调整,因此基本上可消除软件误差。

4 软件设计

频率计根据被测信号频率的大小,软件控制自动切换频率检测时间,或自动转换为周期测量,选择适当的周期扩展倍数。其软件设计采用模块化结构设计,程序设计与调试都很方便,功能扩充也很灵活。单片机上电复位后,首先执行主程序,完成有关芯片和定时器的初始化,设置数据缓冲区、显示方式、数据计数器初值及频率初测方式等。开中断后,随时检测外部中断和定时器所发出的中断请求信号,一旦有则转入相应的中断服务程序,否则返回显示程序,显示所测的频率值。频率/周期测量流程图如图3所示。

测 量 原 理1 直接测频法直接测频法就是在确定的门时间内,通过计数器对输入脉冲个数计数,根据频率定义计算被测信号的频率Fx=Nx/Tg。由于闸门的启闭与输入信号不同步,存在着±1个数误差。相对计数误差γ=ΔNx/Nx,由于ΔΝx=±1,所以γ=±1/FxTg×100%。由此可见,直接测频法存在以下缺点:第一,相对计数误差随输入信号频率变化,为了保证测量

闸门时间Tg的前后沿由被测信号Fx的有效计数跳变产生,并与Fx的有效跳变同步。设被测频率计数值为Nx,时标频率计数值为No,则被测频率为Fx=Nx/NoFo,测量的最大相对量化误差为γ2=±1/FoTg×100%[1]。显然,γ2与被测频率无关,只与时标频率和闸门时间有关,即消除了被测频率的固有量化误差,而仅存在时标频率的固有误差。由于频标Fo很高,No基数很大,所以量化误差很小,相对于被测频率Fx可以认为是一个常数。这样,在同一闸门时间内,就能保证在整个测量

图3中,从A点输入被测频率信号,输出端接计数器Nx,第二与门的输出端接计数器No,A、B、C、D、E各点波形如图4所示。8254计数器有三个独立的16位减法计数器,计数器频率可达10MHz。每个计数器有三条I/O线,时钟输入CLK,作为计数脉冲输入端,计数器输出OUT,当计数器为零时输出相应信号,门控端用于启闭计数器。每个计数器有6种工作方式,可以通过

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