高精度频率计

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摘 要 (3)
关键词： (3)
1引 言 (3)
2总体方案选择与论证 (3)
2.1总方案比较 (3)
2.2测频方案比较 (4)
3 系统的硬件设计 (6)
3.1信号整形电路 (6)
3.2测频电路 (6)
4 系统软件设计 (7)
4.1640480液晶程序流程图 (7)
5 软硬件连调与系统测试数据 (7)
5.1子程序调试 (7)
5.2LCD显示调试 (8)
5.3频率计功能测试及总体调试 (8)
5.4数据测试 (8)
6 技术指标与系统误差分析 (8)
6.1主要技术指标： (8)
6.2系统误差分析 (9)
参考文献 (9)
附录1 系统原理图 (10)
附录2 程序(参考附件) (10)
高精度频率计
摘 要：本系统基于C8051F020实现等精度的频率测量，利用该单片机灵活的控制功能及速度优势，大大提高了性能和测量精度。

以往的测频都是采用高频段直接计数、低频段间接测周的方法，其测量精度往往会随着被测频率的改变而受到影响。

为了克服测频中高低频段测量精度不等的缺陷，采用双计数器设计，实现等精度的频率测量。

等精度的测量方法不但具有较高的测量精度，而且在整个测频区域内保持恒定的测量精度。

关键词：频率计；等精度；C8051F020；
1引 言
频率计是计算机、通讯设备、音视频等科研生产领域不可缺少的测量仪器，测频一直以来都是电子和通讯系统工作的重要手段之一。

高精度的测频仪有着广泛的市场前景。

以往的测频仪都是在低频段采用测周的方法、高频段采用测频的方法，前者对测高频有较高精度，而后者对测低频有较高精度。

然而往往由于被测频率事前不可预测，因此测量精度和测量方法事前均不可确定，从而给使用带来不便，测量精度也受到影响。

为了克服测频中高低频段引起测量精度不等，采用等精度的测频原理，双计数器同时计数，保证了整个测试范围内恒定的测试精度。

该频率计利用等精度的设计方法，克服了基于传统测频原理的频率计的测量精度随被测信号频率的改变而改变的缺点。

等精度的测量方法不但具有较高的测量精度，而且在整个测频区域内保持恒定的测试精度。

本设计由于其测量迅速，精确度高，显示直观，因此对它的研究非常有必要,而且相当大的意义,值得深入探讨。

2总体方案选择与论证
2.1 总方案比较
方案一：由传统51系列单片机控制，被测信号首先经过放大、整形后再由分频器进行分频，然后送人单片机的T0端口并开始计数，分频器的分频系数由单片机来控制；计数、分频达到规定的精度后结束计数，然后调用显示子程序，显示结果。

分频、频率的计算和显示由单片机控制。

图2-1 单片机方案框图
方案二：利用C8051F020单片机进行测频计数，该单片机采用了单周期指令因此测频范围上更宽，因此减少了分频倍频电路。

同时该频率计利用等精度的设计方法，克服了基于传统测频原理的频率计的测量精度随被测信号频率的改变而改变的缺陷，等精度的测量方法不但具有较高的测量精度，而且在整个测频区域内保持恒定的测试精度。

利用单片机完成整个测量电路的测试控制、数据处理和显示输出。

整个硬件系统由放大整形电路、单片机、人机交互界面等组成，总体结构框图如图2－2所示。

图2-2系统方案框图
因此，我们选用方案二。

2.2 测频方案比较
(1)测频法
测频法的基本思想是让计数器在闸门信号的控制下计数，计数结果是闸门时间内被测信号的周期数，即被测信号的频率。

若被测信号不是矩形脉冲，则应先变换成同频率的矩形脉冲。

测频法的原理框图如图2-3所示。

图中闸门信号为高电平时，计数器计数；低电平时，计数器停止计数。

显然，在同样的闸门信号作用下，被测信号的频率越高，测量误差越小。

当被测频率一定时，闸门信号高电平的时间越长，测量误差越小。

但是闸门信号周期越长，测量的响应时间也越长。

图2-3测频法原理框图
例如，闸门信号高电平时间为1秒，被测信号频率的真值为2Hz，如图2-4所示。

由图可知，无论被测信号的频率是多少，测量时可能产生的最大绝对误差均为±1Hz，即
Hz f f 112±=− （2－1） 所以，最大相对误差为
1112max /1/)(f f f f ±=−=σ （2－2）
由上式可知，在闸门信号相同时，测频法的相对误差与被测信号的频率成反比。

因此测频法适合于测量频率较高的信号。

图2-4测频法的误差 (2)测周法
当被测信号频率较低时，为保证测量精度，常采用测周法。

即先测出被测信号的周期，再换算成频率。

测周法的实质是把被测信号作为闸门信号，在它的高电平的时间内，用一个标准频率的信号源作为计数器的时钟脉冲。

若计数结果为N，标准信号频率为f 1，则被测信号的周期为
N T T ×=1 （2－3） 被测信号的频率为
N F N T F //111=×= （2－4） 利用测周法所产生的最大绝对误差，显然也等于±1个标准信号周期。

如果被测信号周期的真值为：
N T T ×=1，则 )1(12±×=N T T （2－5）
)1/(11//)(21112max ±±=−=−=N T T f f f σ （2－6） 由上式可知，对于一定的被测信号，标准信号的频率越高，则N 的值越大，因而相对误差越小。

(3)等精度测量
通常的测频方法是高频段采用直接计数测频，低频段采用间接测周。

前者对测高频有较高精度，而后者对测低频有较高精度。

往往由于Fx事前不可预测，因此测量精度和测量方法事情均不可确定，从而给使用带来不便，测量精度也受到影响。

为了克服测频中高低频段测量精度不等的缺陷，采用双计数器电路，两个计数器相关计数，而且硬件上同步分频实现等精度的频率测量。

通过比较,我们清楚的可以看出方案(3)的优势,因此采用等精度测量方法。

3 系统的硬件设计
3. 1 信号整形电路
用于对待测信号进去放大和整形，以便作为C8051F020的输入信号。

通过一级高速运放及经行高速比较器整形，将测试频率电压TCLK控制在3.3V内。

图3-1 整形电路模块
3.2 测频电路
测频电路是测频的核心电路模块，由单片机器件担任。

通常的测频方法是高频段采用直接计数测频，低频段采用间接测周。

前者对测高频有较高精度，而后者对测低频有较高精度。

往往由于Fx事前不可预测，因此测量精度和测量方法事情均不可确定，从而给使用带来不便，测量精度也受到影响。

为了克服测频中的+/-1误差引起的高低频段测量精度不等，采用双计数器电路，两个计数器相关计数，而且硬件上同步分频实现等精度的频率测量。

4 系统软件设计
单片机部分主要分为初始化程序、发送频率控制字、读取数据、主程序、显示子程序。

每个功能模块对于整体设计都是非常重要的，单片机通过软件编程才能使系统真正的运行起来。

其流程图如图4-1所示。

图4-1 单片机软件控制总框图
4.1 640480液晶程序流程图
图4-2 640480液晶流程图
5 软硬件连调与系统测试数据
5.1 子程序调试
1） 编辑子程序段并保存.
2） 编译、修改语法语义等错误、再编译, 直到无错误.并保存.
3） 执行:分别将编写的子程序逐个运行调试,观察其能否实现各自的功能.若不行,检查其逻辑上的错误,可以单步执行或者设置断点再连续执行.
5.2 LCD显示调试
在接上电源后,LCD背光屏会正常发亮显示,运行仿真器后,打开显示驱动程序,全部编译再逐步运行,也可设置好断点,调试显示器能否正常显示字符、延时、清屏、光标闪烁及移位,分别调好后,可以全速运行,直到全部显示正常为止.
5.3 频率计功能测试及总体调试
在进行完各个单元电路的调试,并能正常实现预定功能的情况下,进行总体的测试.步骤如下:
(1)接上5V的电源,插好仿真头并开启仿真器电源. 在WAVE的调试环境中, 进
行仿真器设置;
(2) 打开编辑好的整体程序清单, 全部编译, 系统提示没有编译错误;
(3) 复位,选择连续运行. 观察LCD屏幕上的信息,是否实现应有的显示;
(4) 从波形发生器接入一个任意波形,要求其电压峰峰值在5V内,频率范围在
1Hz~2MHz之间, 观察LCD上的显示值,是否与输入的频率相同;
(5) 同时在测量过程中可以任意改变输入量的频率,观察LCD上数字的变化是
否同步变化,此时最好记录显示的误差值;
(6) 改变输入波形,观察是否能够实现正常显示功能;
(7) 根据记录, 改变闸门时间CL的赋值来减小测量频率的误差。

5.4数据测试
表1-2 试数据报表
输入波形 信号输入频率 显示输出频率 误 差
正弦波 10 Hz 10 Hz 0 Hz
正弦波 500.032 Hz 500.032 KHz 0 Hz
正弦波 2.025 KHz 2.025 KHz 0 Hz
正弦波 500.126 KHz 500.126 KHz 0 Hz
正弦波 2.048 MHZ 2048.001 KHz 1 Hz
矩形波 100 Hz 100 HZ 0 Hz
矩形波 7 KHz 7.000 KHz 0 Hz
矩形波 50.282 KHz 50.282 KHz 0 Hz
矩形波 800.062 KHz 800.061 KHz 1 Hz
矩形波 6.552 MHz 6552.001 KHz 1 Hz
6 技术指标与系统误差分析
6.1 主要技术指标：
该频率计利用单片机来实现频率测量。

利用单片机完成整个测量电路的测试控制、数据处理和显示输出。

主要计数指标为：
测量频率范围：1Hz--5MHz
输入阻抗：1MΩ//45pf 或50Ω
640480液晶显示输出
6.2 系统误差分析
综合上述，该频率计利用等精度的设计方法，克服了基于传统测频原理的频率计的测量精度随被测信号频率的改变而改变的缺点，而且在整个测频区域内保持恒定的测试精，大大提高了测量精度，从数据表中可以看出，精度相当高。

系统采用24M 的标准时钟，在控制同步T 的作用下，计数器A 和计数器B 分别对待测频率信号Fx 和标准信号Fs 同时计数。

若两个计数器的计数值分别为M 和N，则待测频率和测频相对误差分别为：
N MF F 0X =
（8－1） 0
0x x e f f N N M M f f Δ+Δ−Δ=Δ= （8－2） 参考文献
[1] 黄继业，EDA 技术实用教程［M］.北京：科学出版社，2002: 84～86.
[2] 张永瑞等，电子测量技术基础［M］.西安：电子科技大学出版社，2003: 52～54.
[3] 赵雅兴．FPGA 原理、设计与应用［M］．天津：天津大学出版社，1999: 10～11.
[4] 全国大学生电子设计竞赛组委会. 《全国大学生电子设计大赛获奖作品精选（2001）》[M].
北京：北京理工大学出版社．2001: 74～77.
[5] 吴金戌编著. 《8051单片机实践与应用》[M]. 清华大学出版社,2000: 55～56.
[6］李景华．可编程逻辑器件与EDA 技术［M］．沈阳：东北大学出版社，2002:118～119.
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[8]．蒋焕文、孙续编著. 《电子测量》[M]. 中国计量出版社（第二版）,1998: 63～64.
[9] 全国大学生电子设计竞赛组委会.《全国大学生电子设计竞赛获奖作品选遍（2003）》[M].
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[10] 万方数据库期刊及超星数字图书馆.
附录1 系统原理图
附录2 程序(参考附件)。