简易数字频率计

简易数字频率计
论文摘要：
本系统用单片机89C51为核心,设计了能够测量频率、周期、脉宽和占空比的简易数字频率计。

本系统包括前端放大整形、分频处理和单片机数据处理三大模块。

前级放大整形模块采用74HC04做放大器对信号进行放大；分频处理模块提高测量的频率范围；单片机数据处理模块利用软件分频的方法，克服了±1误差在高低频段精度不等的缺陷，提高了测量系统的精度。

本系统实现了测量频率、周期、脉宽和占空比的测量要求，且测量的频率可以达到0.1Hz—10MHz。

频率和周期的测量误差小于0.01%，脉宽的测量误差小于1%。

基本完成了任务设计的要求。

引言
设计并制作一台简易的数字显示频率计。

基本要求：对幅度为0.5V—5V，频率为1Hz—1MHz的正弦波和方波信号进行频率和周期的测量，测量误差≤0.1%。

能对幅度为0.5—5V，脉冲宽度≥100μS的脉冲波进行测量，测量误差≤1%。

发挥部分：扩展频率测量范围为0.1Hz—10MHz（信号幅度0.5V—5V），测试误差降低为0.01%（最大闸门时间≤10s）。

测量并显示脉冲信号（幅度0.5V —5V、频率1Hz—1kHz）的占空比，占空比变化范围为10%—90%，测量误差≤1%。

在1Hz—1MHz范围内及测试误差≤0.1%的条件下，进行小信号的频率测量，提出并实现抗干扰的措施。

一．方案比较与论证
方案一：系统测频部分采用中小规模数字集成电路，用机械式功能转换开关换档，完成测频率、测周期及测脉宽等功能。

该方案的特点是中小规模集成电路应用技术成熟，能可靠的完成频率计的基本功能，但由于系统功能要求较高，所以电路过于复杂。

而且多量程转换开关使用不便。

原理框图如图1所示。

图1 方框图
方案二：采用直接测频法，把被测频率信号经脉冲形成电路后加到闸门开通时间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。

经过分析，本种测量方法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设计的要求。

方案三：系统采用89C51单片机为核心，门控信号由单片机内部的计数定时器产生。

由于单片机的计数频率上限较低(12M晶体振荡器时约为500KHz),所以需对高频被测信号进行硬件预分频处理，89C51则完成运算、控制及显示功能。

由于使用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和改进。

系统方框图如图2所示。

图2 系统方框图
比较以上三种方案，都有一个共同就是为了提高系统的测量精度和灵敏度，三中方案都使用了小信号放大整形电路。

但是每个方案各有不同，方案一由于电路复杂，系统实现起来不方便，而且调试困难。

对于方案二从系统设计的测量范
围0.1Hz—10MHz，以频率下限0.1Hz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，要达到这个测量精度，需要主门连续开启10000s，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，实现课题的要求。

也就是对低频信号采用先测信号的周期，然后在通过单片机求周期倒数的方法，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89C51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，因此我们选用方案三作为具体实施的方案。

二．测量原理
1．频率测量
由于单片机具有程序运算功能，且频率为周期的倒数，使频率测量与周期测量可以互通。

按照频率的定义，即单位时间内周期信号的发生次数，通过参考晶体振荡提供了测量的时间基准，分频后通过控制电路去开启与关闭时间闸门。

闸门开启时，经放大整形后的测量信号进入计数器进行计数，闸门关闭时，停止计数。

若闸门开放时间为T g,计数值为N，则被测频率f x=N/T g。

测频的框图如图3所示。

图3 测频框图
用这种频率测量原理，对于频率较低的被测信号来说，存在着测量实时性与
测量精度之间的矛盾，由分频系数M=T g /T r （T r 为参考晶振的周期）本身是没有误差的（若电路工作正常的话），测量误差主要由以下两种因数产生的：计数误差和参考晶体振荡的误差，也即
/(/)(/)(/)(/)r r r r r f f N N f f Nf Mf f f ∆=∆+∆=∆+∆
为减小第二项误差，可采用高精度的参考晶体振荡器。

对于第一项误差N ∆为计数相对误差，其最大可达±1，属于不可避免的系统误差，若要减少/N N ∆，就必须增大N ，在被测信号频率很低，为达到一定的测量精度，就要求闸门开放时间大得难以忍受，即一次测量过程的时间很长，失去了使用意义。

例如若被测频率为10Hz ，精度要求为±0.01%，则最短闸门开放时间为
/1/0.000110000N Nf f =∆∆==
/1000g T N f s ==
像这样的测量周期根本不可能接受的，可见频率测量法不适用于低频信号的测量，在同样精度下10MHz 的测量仅需要1ms ，即对于高频信号适宜用此方法测量。

2．周期测量
周期测量的基本原理方框图如图4所示。

图4 测周期框图
它与测频基本结构是相同的，只是把晶体振荡产生的基准信号与被测信号的
位置互换了一下，由此得//r r T N Mf NT M ==，计数值N 与被测信号的周期成正比，N 反映了M 个信号周期的平均值。

利用周期测量法在一定信号频率范围内，通过调节分频系数M ，可以较好地解决测量精度与实时性的矛盾。

由上式可得：
/////r r r r r T T N N T T N TMf T T ∆=∆+∆=∆+∆
第二项误差取决于晶体稳定度，第一项为计数的量化误差，故该项主要取决于N 的大小。

在平均周期测量法中，N 值的大小与测量时间的长短成正比，可根据测量精度要求而定。

假设/N N ∆的允许误差为±0.001%，则N=105，在T r 选定时测量时间等于105T r ，，若T r =2μS ，则测得时间等于0.2s 。

对于不同范围的被测周期信号，可以通过调节分频系数M 的大小，达到相近的测量精度，也就有相近的测量时间，且不会太长。

当然，对于高频信号，测量周期的方法就需要很大分频系数M ，增加了硬件的复杂性，不宜采用测周期的方法。

3．脉宽和占空比测量
在脉冲周期T p 、脉冲宽度T w 、占空比T w /T p 、两个脉冲的时间间隔T a-b 等测量中，都要应用时间测量。

实际上，时间间隔测量法与周期测量法类同，只是增加了一个信号通道而已。

如图5中A 、B 通道的波形与闸门开闭关系，由单片机的内部运算即可得占空比。

图5 通道的波形与闸门开闭关系图
三．硬件电路设计与说明
为了测量小信号，需要在输入端加前置信号处理电路，将小信号放大整形后，送入后级分频电路进行处理。

使用分频电路是因为门控信号由89C51内部的计数定时器产生，单位为1us。

由于单片机的计数额定上限较低（12MH2晶振时约500 kHz），所以需对高频被测信号进行硬件预分频处理。

又因为对频率较低的信号，我们不必分频，只是对高频信号要分频，因此我们使用模拟开关4052对不同频率的信号进行不同的分频。

1．小信号放大电路
根据任务的要求，对与一些小信号也应该准确地测出其频率，所谓的小信号即是电压幅值小，约几百毫伏或是几十毫伏的信号。

对于这么小的信号，要求对其进行放大，必须能让后面的单片机识别出其频率的变化，这就要求电路有足够的放大倍数，而且要有较高的稳定度。

对于信号放大，我们不仅要考虑到对信号的放大作用，还应该注意频率的带宽。

由NE5534构成电压跟随器起到增大输入阻抗的目的。

然后有两个二极管对输入信号进行限幅，使其幅度限制在大约0.7V～－0.7Ｖ。

再由NE5534将信
号进行放大，最大的放大倍数为10倍。

NE5534的增益带宽积GB=10MHz，在输入信号的频率为1MHz时，我们对它进行放大10倍是可以的。

但是这种方案只能达到任务设计的基本要求，并不能达到任务的发挥部分的要求。

由此我们可以利用反向器的线形区作为放大器，它的增益带宽积有10MHz 以上，频响范围很宽，能达到测量10MHz信号的任务要求。

又由于反向器74LS04的转换速度低，不适用本系统，所以我们采用转换速度更快的74HC04。

反向器的传输特性如图6所示。

图6 反向器的传输特性
由图我们可以看出，图中的线形区的斜率很大，传输特性变化比较急剧，我们也就是利用了这种特性，用反相器作为放大器来使用，而且电路反应速度也很快。

只要将静态工作点设置在图中的反相器线形区域中，调节输入输出的电压值相同，就能将电路工作于放大状态。

具体的实现电路如图7所示。

图7 小信号放大电路
这种电路实现简单，便于调试。

图中使用了三级放大，保证了小信号的放大倍数，使单片机能识别出小信号的频率。

最后在输出端加了一个7414施密特触发器作为输出波形的整形。

2．分频器
门控信号由89C51内部的计数定时器产生，单位为1us。

由于单片机的计数额率上限较低(12MH2晶振时约500 kHz)，所以需对高频被测信号进行硬件预分频处理。

本设计对
f≥100Kz的被测信号先进行100分频或是10分频再送
i
入单片机进行数据处理；对于1Hz≤
f≤100KHz的信号直接送入单片机进行数
i
据处理。

由单片机的P1.0口和P1.1口控制74LS151的A、B端来进行选择。

74LS151的输出端接单片机的T1计数器，对信号进行计数。

对被测信号的100分频，则是由两个4017芯片来实现的。

电路如图8所示。

图8 分频器电路
3．按键与显示
系统的输入设备采用4位带上拉电阻的按键和控制4个LED指示灯。

由单片机的P0.0—P0.3作为按键输入端口，P1.2—P1.5端口控制4个LED指示灯的亮灭。

输出显示采用8位的串行显示。

电路如图9所示。

图9 串行显示电路4．CPU主电路
电路如图10所示。

图10 CPU主电路图四．软件设计与流程图
1．系统流程设计
系统的主流程图如图11所示。

图11 系统主流程图
由软件完成各部分的控制和协调，下面对图11的流程图进行介绍。

初始化系统：系统上电后完成硬件和系统变量的初始化。

其中包括外围器件的端口设定、置中断和定时器状态、设置控制口P0和P1的状态。

等待功能键输入：由键盘输入测频、测周、测脉宽和测占空比的显示选择。

相应量的测量计算：单片机读入计数值M、N，通过单片机的内部编程，选用适应的准确算法，计算出频率和周期。

测量脉宽时只读入计数器的值进行处理，计算出脉宽的值。

占空比的计算只是将脉宽值与周期的比值。

显示：89C51通过控制P3.0和P3.1两个端口，让输出结果通过串行显示的方式，输出显示出来。

2．频率和周期中的自动量程转换
频率和周期是可以互相转换的，测出其中一个参数就可以靠高精度的算法算出另一个参数。

因此，在测量频率或周期中，实际上是采用频率测量法还是周期
测量法，并不取决于最后要求显示的是频率还是周期，而是取决于用哪一种测量方法精度更高。

系统将根据信号的频率范围来自动选择测量方法，信号频率较高时将采用频率测量法，并根据不同频率改变计数闸门开放的时间（定时时间），较低时将采用周期测量法，并根据不同频率自动改变周期扩展倍数，以满足精度要求。

五．系统误差分析与抗干扰措施
1．系统误差分析
该系统的测量误差主要由以下两种因素产生：计数误差和参考晶体振荡的误差，也即
)/()/()/()/(/r r r r r f f Mf Nf f f N N f f ∆+∆=∆+∆=∆
因为采用了高精度的参考晶体振荡器，所以参考晶体振荡的误差减小到很小，可以忽略。

对于计数误差，ΔN 为计数绝对误差，其最大可达±1，属于不可避免的系统误差，若要减小ΔN/N ，就必须增大N 。

本系统为了提高测量精度，采用了直接与间接测量结合的方法进行测量。

根据任务书提出的要求上面已经算出临界频率为10KHz 。

当i f 在10KHz ≤i f ≤10MHz 时，我们对10KHz ≤i f ≤300KHz 的信号采用测频的方法测量；对300KHz ≤i f ≤10MHz 的信号先进行10分频或100分频后再用测频法测量（即把300KHz ≤i f ≤10MHz 的信号变为10KHz ≤i f ≤300KHz 的信号进行测量，再将测量结果乘于100）。

在分频电路工作正常的情况下，分频不产生误差。

我们采用闸门时间为1S ，当被测频率为1KHz 时，可计数1000个，这时由±1量化误差而导致的相对测试误差为0.l ％；当被测信号为10KHz 和100KHz 时，可分别计数10000个和100000个，这时由±1量化误差而导。