基于單片機(jī)的等精度數(shù)字測(cè)頻

　  在電子技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)，頻率是一個(gè)最基本的參數(shù)，頻率與其它許多電參量的測(cè)量方案，都有十分密切的關(guān)系。因此，頻率的測(cè)量就顯得更為重要，而且，目前在電子測(cè)量中，頻率的測(cè)量精確度最高。

　　1. 電子計(jì)數(shù)測(cè)頻原理框圖

　　首先，被測(cè)信號(hào)通過(guò)放大整形，形成幅度一致，形狀一致是計(jì)數(shù)脈沖。然后，N將它加到閘門(mén)的一個(gè)輸入端，閘門(mén)由門(mén)控信號(hào)來(lái)控制其關(guān)閉時(shí)間。計(jì)得的脈沖送至譯碼，再送顯示器顯示出來(lái)。而由晶振產(chǎn)生的1MHz的振蕩信號(hào)經(jīng)放大整形，形成方波，經(jīng)多個(gè)10分頻10s，1s，0.1s，0.01s，1ms，那么有fx=N／T符合測(cè)頻定義。根據(jù)f=N／T。不難看出，采用計(jì)數(shù)器測(cè)頻的測(cè)量誤差，一方面決定于閘門(mén)時(shí)間T準(zhǔn)不準(zhǔn)確，即由晶振提供的標(biāo)準(zhǔn)頻率的準(zhǔn)確度△T／T=-(△fo／fo)；另一方面決定于計(jì)數(shù)器計(jì)得的數(shù)準(zhǔn)不準(zhǔn)，即"±1誤差"，△N／N=±1／N=±(1／○XTfx)。所以，計(jì)數(shù)器直接測(cè)頻的誤差主要有兩項(xiàng)，即±1誤差和標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差。測(cè)低頻時(shí)，由于±1誤差產(chǎn)生的測(cè)頻誤差大得驚人，所以不宜采用直接測(cè)頻方法。由于fX較低時(shí)，利用計(jì)數(shù)器直接測(cè)頻，由±1誤差所引起的測(cè)頻誤差將會(huì)大到不可允許的程度。所以，為

了提高測(cè)量低頻時(shí)的準(zhǔn)確度，即減少±1誤差的影響，可改成先測(cè)周期Tx，然后計(jì)算fx=1／Tx。

　　2. 電子計(jì)數(shù)器測(cè)周期原理

　　Tx經(jīng)放大整形控制雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器形成門(mén)控信號(hào)，控制閘門(mén)的開(kāi)閉；然后晶搌產(chǎn)生的1MHz的振蕩信號(hào)，經(jīng)放大整形形成方波，產(chǎn)生幅度一致，形狀一致是計(jì)數(shù)脈沖。當(dāng)閘門(mén)打開(kāi)時(shí)，對(duì)計(jì)數(shù)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)；閘門(mén)關(guān)閉時(shí)，停止計(jì)數(shù)。計(jì)得的脈沖送譯碼，送顯示。

　　3. 單片機(jī)定時(shí)器工作原理

　　8XX51單片機(jī)的定時(shí)器T1由TH1，TL1組成，定時(shí)器T0由TH0，TL0組成。它們均為八位寄存器，映射在特殊功能寄存器中，占地址8AH、8BH。它們用于存放定時(shí)或計(jì)數(shù)的初始值。此外，內(nèi)部還有一個(gè)八位的方式選擇寄存器TMOD和一個(gè)八位的控制寄存器TCON，占地址89H和88H，用于選擇定時(shí)器／計(jì)數(shù)器的工作方式，如計(jì)數(shù)還是定時(shí)(C／-T)，啟動(dòng)的方式(GATE)及發(fā)啟動(dòng)控制信號(hào)TRx。

　　定時(shí)和計(jì)數(shù)實(shí)質(zhì)都是對(duì)脈沖的計(jì)數(shù)，只是被計(jì)的脈沖的來(lái)源不同，定時(shí)方式的計(jì)數(shù)初值和被計(jì)脈沖的周期有關(guān)，而計(jì)數(shù)方式的計(jì)數(shù)初值只和被計(jì)脈沖的個(gè)數(shù)有關(guān)(計(jì)由高到低的邊沿?cái)?shù))。

　　8031單片機(jī)內(nèi)含有兩個(gè)16位可編程定時(shí)／計(jì)數(shù)器。均可編程對(duì)內(nèi)部機(jī)器周期計(jì)數(shù)(定時(shí)方式)，或?qū)ν獠恳�腳輸入的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)(計(jì)數(shù)方式)。CPU工作于12MHz主頻時(shí)，外部最高計(jì)數(shù)頻率500kHz，內(nèi)部時(shí)鐘計(jì)數(shù)頻率達(dá)1MHz。定時(shí)器的基準(zhǔn)定時(shí)脈沖周期為1μs，當(dāng)采用測(cè)頻方式時(shí)，T／C0編程為計(jì)數(shù)方式，對(duì)被測(cè)信號(hào)頻率計(jì)數(shù)，產(chǎn)生欲置的檢測(cè)時(shí)間。由于定時(shí)器最長(zhǎng)的定時(shí)時(shí)間為65535s，欲產(chǎn)生更長(zhǎng)的檢測(cè)時(shí)間需使用軟件計(jì)數(shù)器，中斷多次即可獲得所需檢測(cè)時(shí)間。被測(cè)頻率較低時(shí)，則選用測(cè)周方式；T／C1編程為定時(shí)方式，用來(lái)對(duì)m個(gè)輸入脈沖周期所經(jīng)歷的時(shí)間計(jì)時(shí)。

　　4. 等精度測(cè)量原理框圖

　　微處理器的主要優(yōu)點(diǎn)之一是可以利用微處理器的數(shù)據(jù)處理能力，減少測(cè)量過(guò)程中產(chǎn)生的隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差，從而提高測(cè)量精度，所以往往把單片機(jī)運(yùn)用在電子測(cè)量過(guò)程中，來(lái)提高測(cè)量精度。

　　實(shí)現(xiàn)等精度測(cè)量原理，關(guān)鍵是使Nx不產(chǎn)生誤差，而No不超過(guò)±1誤差。利用PC機(jī)總線技術(shù)，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的控制門(mén)電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)頻率信號(hào)的計(jì)數(shù)及相應(yīng)的精確閘門(mén)時(shí)間，并使閘門(mén)的開(kāi)啟與關(guān)閉和被測(cè)信號(hào)的有效跳變同步。

　　預(yù)置門(mén)的打開(kāi)和關(guān)閉由被測(cè)信號(hào)和預(yù)置的測(cè)量時(shí)間控制，計(jì)數(shù)器Nx在預(yù)置門(mén)的控制下對(duì)被測(cè)信號(hào)頻率計(jì)數(shù)，控制門(mén)根據(jù)預(yù)置門(mén)產(chǎn)生一個(gè)與被測(cè)信號(hào)同步的同步門(mén)；計(jì)數(shù)器No在同步門(mén)的控制下對(duì)時(shí)標(biāo)計(jì)數(shù)，得到精確的閘門(mén)時(shí)間Tg。設(shè)時(shí)標(biāo)周期為T(mén)o，則被測(cè)頻率Fx=Nx／NoTo。

　　單片機(jī)采用定時(shí)ls的測(cè)頻法先對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)測(cè)，軟件根據(jù)頻率高低自動(dòng)選擇檢測(cè)時(shí)間或周期擴(kuò)展倍數(shù)，以保證各檔都有較高測(cè)量精度。當(dāng)輸入信號(hào)頻率超過(guò)100kHz時(shí)，信號(hào)經(jīng)擴(kuò)展計(jì)數(shù)器分頻后送入8031按測(cè)頻法測(cè)量，頻率檢測(cè)時(shí)間設(shè)有三檔，分別為0.01s、0.1s、1s。在轉(zhuǎn)入周期測(cè)量后，信號(hào)直接送入單片機(jī)，周期擴(kuò)展倍數(shù)有104、103、102、10、1五檔。

　　由于單片機(jī)的最高計(jì)數(shù)頻率為500kHz，限制了測(cè)頻范圍，必須對(duì)高頻進(jìn)行分頻。擴(kuò)展n分頻器后，將會(huì)產(chǎn)生分頻誤差。這個(gè)n分頻最大將導(dǎo)致(n-1)個(gè)待測(cè)頻率周期的分頻誤差。該誤差量級(jí)與"±l"誤差相當(dāng)，甚至更大。為了提高測(cè)頻分辨率，我們采用了硬件同步分頻技術(shù)，即在閘門(mén)開(kāi)啟的有效上升沿時(shí)刻，對(duì)74LS591分頻器清零。在閘門(mén)關(guān)閉時(shí)刻，將分頻狀態(tài)打入總線緩沖器74LS244，8031通過(guò)緩沖器讀出其值，從而消除了"分頻誤差"�！�

      在本系統(tǒng)中，T／C1編程為定時(shí)方式時(shí)，在12MHz晶振下其最大定時(shí)時(shí)間只有65.536ms，需采用軟件來(lái)擴(kuò)展計(jì)數(shù)器的容量。即計(jì)數(shù)器每溢出中斷一次，片內(nèi)RAM的內(nèi)容加一計(jì)數(shù)，這樣大大擴(kuò)了單片機(jī)的計(jì)數(shù)范圍。但同時(shí)也引入了中斷響應(yīng)的時(shí)間誤差，我們稱之為"軟件誤差"。頻率計(jì)的核心是時(shí)間基準(zhǔn)的正確性，因此在中斷后重置定時(shí)器時(shí)間常數(shù)時(shí)，不能簡(jiǎn)單地采用重置辦法。從單片機(jī)的中斷響應(yīng)系統(tǒng)及其響應(yīng)過(guò)程可知：(1)定時(shí)器每次溢出中斷時(shí)，WAIT語(yǔ)句必須執(zhí)行完才能響應(yīng)，該條指令的執(zhí)行時(shí)間為2μs，我們?nèi)∑淦骄�延遲時(shí)間為1μs；(2)CPU響應(yīng)中斷到執(zhí)行中斷服務(wù)程序首條指令至少需3個(gè)完整的機(jī)器周期，即延時(shí)3μs；(3)中斷服務(wù)程序中實(shí)際的定時(shí)時(shí)間是在執(zhí)行完時(shí)間常數(shù)的裝載指令后才開(kāi)始，兩條裝載指令占用4μs。根據(jù)以上分析。每次中斷后，將延遲約8μs后才開(kāi)始定時(shí)。實(shí)際獲得的定時(shí)時(shí)間必須考慮到8μs的延遲，該頻率計(jì)采用軟件補(bǔ)償?shù)奶幚矸椒▉?lái)降低其影響。由于軟件修正相當(dāng)方便在儀器調(diào)試中可作進(jìn)一步的調(diào)整，因此基本上可消除軟件誤差。

　　頻率計(jì)根據(jù)被測(cè)信號(hào)頻率的大小，軟件控制自動(dòng)切換頻率檢測(cè)時(shí)間，或自動(dòng)轉(zhuǎn)換為周期測(cè)量，其軟件設(shè)計(jì)采用

模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，程序設(shè)計(jì)與調(diào)試都很方便，功能擴(kuò)充也很靈活。單片機(jī)上電復(fù)位后，首先執(zhí)行主程序，完成有關(guān)芯片和定時(shí)器的初始化，設(shè)置數(shù)據(jù)緩沖區(qū)、顯示方式、數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)器初值及頻率初測(cè)方式等。開(kāi)中斷后，隨時(shí)檢測(cè)外部中斷和定時(shí)器所發(fā)出的中斷請(qǐng)求信號(hào)，一旦有則轉(zhuǎn)入相應(yīng)的中斷服務(wù)程序，否則返回顯示程序，顯示所測(cè)的頻率值。

　　5. 結(jié)束語(yǔ)

　　本文通過(guò)比較以往電子計(jì)數(shù)測(cè)頻原理、電子計(jì)數(shù)測(cè)周期原理的分析，結(jié)合單片機(jī)定時(shí)／計(jì)數(shù)器的工作原理，給出了等精度測(cè)量原理以及軟件誤差的消除方法。實(shí)現(xiàn)起來(lái)簡(jiǎn)單可靠且性能穩(wěn)定、精度高、性價(jià)比低等優(yōu)點(diǎn)。