数字频率计(4位)设计教程

高精度数字频率计教程

目录

一、原理分析 (3)

1.直接测频法: (3)

2.组合法: (3)

3.倍频法: (3)

4.高精度恒误差测频法: (3)

二、设计要求 (3)

三、方案选择 (4)

方案1： (4)

方案2： (4)

方案3： (4)

方案比较及选用依据： (4)

四、系统设计 (5)

（一）硬件设计 (5)

1、设计思路 (5)

2、系统组成 (5)

4、硬件电路图 (6)

（二）软件设计 (9)

1.程序流程图 (10)

2.程序代码： (11)

五．系统测试与误差分析 (17)

1.测试环境 (17)

2.测试仪器 (17)

3.测试数据及误差 (17)

4、误差分析与误差减小 (18)

<1>误差分析 (18)

<2>误差减小 (18)

六、参考文献： (18)

附： (18)

高精度数字频率计

摘要：本设计给出了以AT89C52为核心的数字式频率测量的基本原理与实现方案。使用本系统，测量精度高，测量为1Hz～15MHz,输出显示为4位。能够测量方波或正弦波。

关键词：数字频率计频率测量放大波形整形单片机

引言：频率和周期是电信号在时域内重要的特征，测量信号的频率和周期是认识一个信号的重要手段，在电子技术中，频率是最基本的参数之一，并且与许多参量的测量方案、测量结果都密切相关，因此频率计在教学、科研、测量仪器、工业控制等方面都有广泛的应用，频率测量的方法有很多种，其中电子计数测量频率具有精度高、使用方便、测量迅速、以及便于实现测量自动化等优点，是频率测量的重要手段之一，本设计就是使用计数的方法，以单片机AT89C51为控制核心，充分利用其软硬件资源，设计并制作了频率计的计数、显示部分。

一、原理分析

1.直接测频法:

直接测频法是把被测频率信号经脉冲形成电路后加到闸门的一个输入端，只有在闸门开通时间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。

经分析，本测量在低频段的相对测量误差较大。增大T可以提高测量精度。

2.组合法:

直接测量周期法在低频段精度高。组合测频法是指在低频时采用直接测量周期法测信号周期，然后换算成频率。这种方法可以在一定程度上弥补方法1的不足，但是难以确定最佳的分测点，且电路实现较复杂。

3.倍频法:

直接测频法在高频段有着很高的精度。可以把频率测量范围分成多个频段，使用倍频技术，根据频段设置倍频系数将经整形的低频信号进行倍频后再进行测量，高频段则进行直接测量。

4.高精度恒误差测频法:

通过对传统测量方法的研究，结合高精度恒误差测量原理，设计一种测量精度与被测频率无关的硬件测频电路。本方法立足于快速的宽位数高精度浮点数字运算

二、设计要求

能够测量10mv-3v 频率为1Hz—15Mhz的方波或正弦波

三、方案选择

方案1：

采用频率计模块(如ICM7216)构成，特点是结构简单，量程可以自动切换。ICM7216内部带有放大整形电路，可以直接输入模拟信号。外部振荡部分选用一块高精度晶振和两个低温系数电容构成10MHz并联振荡电路。用转换开关选择10ms，0．1s，ls，10s四种闸门时间，同时量程自动切换，直接点亮LED。

方案2：

系统采用可编程逻辑器件(PLD，如ATV2500)作为信号处理及系统控制核心，完成包括计数、门控、显示等一系列工作。该方案利用了PLD的可编程和大规模集成的特点，使电路大为简化，但此题使用PLD则不能充分发挥其特点及优势，并且测量精度不够高，导致系统性能价格比降低、系统功能扩展受到限制。

方案3：

系统采用MCS-51系列单片机89C51作为控制核心，性能好，价格便宜。由于单片机的计数频率上限较低(12MHz晶振时约500kHz)，所以需对高频被测信号进行硬件欲分频处理，89C51则完成运算、控制及显示功能。由于使用了单片机，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与改进。

方案比较及选用依据：

显然方案二要比方案一简洁、新颖，但从系统设计的指标要求上看，要实现频率的测量范围1Hz～10MHz。要达到误差1％的目的，必须显示3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1 000s，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，实现课题要求。故选用方案三，也就是采用先测信号的周期，然后再通过单片机求周期的倒数的方法，频率测量模块采用快速的高精度浮点数字运算，从而得到所需要的低频信号的测量精度。

四、系统设计

（一）硬件设计

1、设计思路

在信号输入单片机之前经过放大器放大，再经过一个施密特触发器将放大后的信号转换成为方波信号将信号先放大以便单片机可以检测到输入的外部信号，放大整形后的信号通过74hc08 当74hc08的gate引脚为高电平时信号选通。之后通过两个级联的74hc393 16进制计数器，当第一个计数器M1的Q3端为1时向第二个计数器M2输出一个脉冲，当第二个计数器M2的Q3端为1时向单片机T0单口输入一个脉冲所以单片机计算的脉冲数应该为：T0引脚接收的脉冲次数*256+单片机P1的逻辑电平状态转换成的二进制数，又因为定时器time1的定时时间为0.25ms当定时次数达到4000次时为1s。本设计采用时间为1s的方案，所以有f=1/t知f=t ，频率就等于单片机所记录的脉冲次数。

2、系统组成

频率计由单片机AT89C51、信号预处理电路、测量数据显示电路和系统软件所组成，其中信号预处理电路包含待测信号放大、波形变换、波形整形。系统功能框图如图2所示，信号预处理电路中的放大器实现对待测信号的放大，降低对待测信号的幅度要；

波形变换和波形整形电路实现把正弦波样的正负交替的信号波形变换成可被单片机接受的TTL／CMOS兼容信号。

本频率计的设计以AT89C51单片机为核心实现一个宽频域，高精度的频率计。一种有效的方法是：在高频段直接采用频率法，低频段采用测周期法。一般的数字频率计本身无计算能力因而难以使用测周期，而用89c51单片机构成的频率计却很容易做到这一点。

3、系统功能框图: