基于430单片机的频率计设计说明

测控技术与仪器专业课程设计报告

班级：040852 ：姬树明学号：04085144

起始时间：2012-02-27 --- 2012-03-11

课程设计题目：基于51单片机频率计的设计（0—10MHz）

一、对题目的认识和理解

1 引言

本设计综合考虑了频率测量精度和测量反应时间的要求。例如当要求频率测量结果为3位有效数字，这时如果待测信号的频率为1 Hz，则计数闸门宽度必须大于

1 000 s。为了兼顾频率测量精度和测量反应时间的要求，把测量工作分为两种方法：

（1）当待测信号的频率＞100 Hz时，定时／计数器构成为计数器，以机器周期为基准，由软件产生计数闸门，计数闸门宽度＞1 s时，即可满足频率测量结果

为3位有效数字；

（2）当待测信号的频率＜100 Hz时，定时／计数器构成为定时器，由频率计的予处理电路把待测信号变成方波，方波宽度等于待测信号的周期。这时用方波作

计数闸门，当待测信号的频率＝100 Hz，使用12 MHz时钟时的最小计数值为10 00 0，完全满足测量精度的要求。

二、本频率计的设计以AT89C51单片机为核心，利用他部的定时／计数器完成待测信号

周期／频率的测量。单片机AT89C51部具有2个16位定时／计数器，定时／计数器的工作可以由编程来实现定时、计数和产生计数溢出时中断要求的功能。在定时器

工作方式下，在被测时间间隔，每来一个机器周期，计数器自动加1（使用12 MHz

时钟时，每1μs加1），这样以机器周期为基准可以用来测量时间间隔。在计数器工作方式下，加至外部引脚的待测信号发生从1到0的跳变时计数器加1，这样在

计数闸门的控制下可以用来测量待测信号的频率。外部输入在每个机器周期被采样

一次，这样检测一次从1到0的跳变至少需要2个机器周期（24个振荡周期），所以最大计数速率为时钟频率的1／24（使用12 MHz时钟时，最大计数速率为500 k

Hz）。定时／计数器的工作由运行控制位TR控制，当TR置1，定时／计数器开始

计数；当TR清0，停止计数。

三、 2 频率计的量程自动切换

使用定时方法实现频率测量时，外部的待测信号通过频率计的预处理电路变成宽度等于待测信号周期的方波，该方波同样加至定时／计数器的输入脚。工作

高电平是否加至定时／计数器的输入脚；当判定高电平加至定时／计数器的输入脚，运行控制位TR置1，启动定时／计数器对单片机的机器周期的计数，同时检测方波高电平是否结束；当判定高电平结束时TR清0，停止计数，然后从计数寄存器读出测量数据。这时读出的数据反映的是待测信号的周期，通过数据处理把周期值变换

成频率值，由显示电路显示测量结果。

四、使用计数方法实现频率测量时，外部的待测信号为单片机定时／计数器的计数

源，利用软件延时程序实现计数闸门。频率计的工作过程为：定时／计数器的计数

寄存器清0，运行控制位TR置1，启动定时／计数器工作；运行软件延时程序，同

时定时／计数器对外部的待测信号进行计数，延时结束时TR清0，停止计数。从计数寄存器读出测量数据，测量数据在完成数据处理后，由显示电路显示测量结果。

测量结果的显示格式采用科学计数法，即有效数字乘以10为底的幂。这里设计的频率计用5位数码管显示测量结果：前3位为测量结果的有效数字；第4位为指

数的符号；第5位为指数的值。采用这种显示格式既保证了测量结果的显示精度，

又保证了测量结果的显示围（0．100 Hz～9．99 MHz）。

频率计测量量程自动转换的过程由频率计测量量程的高端开始。由于只显示3位有效数字，测量量程的高端计数闸门不需要太宽，例如在进入计数器的信号频率

围在10．0～99．9 kHz，计数闸门宽度为10 ms即可。频率计开始工作时使用计数方法实现频率测量，并使计数闸门宽度为最窄，完成测量后判断测量结果是否具有

3位有效数字，如果成立，将结果送去显示，完成测量工作；否则将计数闸门宽度

扩大10倍，继续进行测量判断，直到计数闸门宽度达到1 s，这时对应的进入单片机的待测信号频率围为100～999 Hz。如果测量结果仍不具有3位有效数字，频率

计则使用定时方法实现频率测量。

定时方法测量的是待测信号的周期，这种方法只设一种量程，测量结果通过浮

点数运算模块将信号周期转换成对应的频率值，再将结果送去显示。无论采用何种

方式，只要完成一次测量，频率计自动开始下一个测量循环，因此该频率计具有连

续测量的功能，同时实现量程的自动转换。

二、方案论证与比较

2.1、脉冲数定时测频法(M法):

此法是记录在确定时间 Tc待测信号的脉冲个数 Mx ,则待测频率为: Fx= Mx/ Tc 显然,时间 Tc 为准确值,测量的精度主要取决于计数 Mx 的误差。其特点在

于:测量方法简单;测量精度与待测信号频率和门控时间有关 ,当待测信号频率

较低时 ,误差较大。

2.2、脉冲周期测频法(T 法):

此法是在待测信号的一个周期Tx,记录标准频率信号变化次数Mo。这种方法

测出的频率是:

Fx = Mo/ Tx

此法的特点是低频检测时精度高,但当高频检测时误差较大。

2.3、脉冲数倍频测频法(AM 法):

此法是为克服M 法在低频测量时精度不高的缺陷发展起来的。通过A 倍频,

把待测信号频率放大A倍,以提高测量精度。其待测频率为:

Fx= Mx/ ATo

其特点是待测信号脉冲间隔减小,间隔误差降低;精度比M 法高 A倍,但控制

电路较复杂。

2.4、脉冲数分频测频法(AT法) :

此法是为了提高T法高频测量时的精度形成的。由于T法测量时要求待测信

号的周期不能太短,所以可通过A分频使待测信号的周期扩大A倍,所测频率为:

Fx = AMo/ Tx

其特点是高频测量精度比 T法高A倍;但控制电路也较复杂。

2.5、脉冲平均周期测频法(M/ T法) :

此法是在闸门时间 Tc,同时用两个计数器分别记录待测信号的脉冲数Mx

和标准信号的脉冲数 Mo。若标准信号的频率为Fo ,则待测信号频率为:

Fx = FoMx/ Mo

M/ T法在测高频时精度较高;但在测低频时精度较低。

2.6、多周期同步测频法:

是由闸门时间Tc与同步门控时间 Td 共同控制计数器计数的一种测量方法,

待测信号频率与M/ T 法相同。此法的优点是,闸门时间与被测信号同步,消除了

对被测信号计数产生的±1 个字误差,测量精度大大提高,且测量精度与待测信

号的频率无关,达到了在整个测量频段等精度测量。

设计方案确定：电路整体框图如图所示，被测信号经过放大电路，整形电路

从而将其转换成同频率的脉动信号，送入计数器计数，闸门的一个输入信号是秒

脉冲发出的标准脉冲信号，秒脉冲信号源含有个高稳定的石英振荡器和一个多级