banner.jpg)
一、概述
在電子技術中，頻率是最基本的參數(shù)之一，并且與許多電參量的測量方案、測量結果都有十分密切的關系，因此，頻率的測量就顯得更為重要。測量頻率的方法有多種,其中電子計數(shù)器測量頻率具有精度高、使用方便、測量迅速，以及便于實現(xiàn)測量過程自動化等優(yōu)點，是頻率測量的重要手段之一。電子計數(shù)器測頻有兩種方式：一是直接測頻法，即在一定閘門時間內(nèi)測量被測信號的脈沖個數(shù)；二是間接測頻法，如周期測頻法。直接測頻法適用于高頻信號的頻率測量，間接測頻法適用于低頻信號的頻率測量。本次設計的數(shù)字頻率計以AT89C52為核心，在軟件編程中采用的是C51語言，測量采用了多周期同步測量法，它避免了直接測量法對精度的不足，同時消除了直接與間接相結合方法，需對被測信號的頻率與中介頻率的關系進行判斷帶來的不便，能實現(xiàn)較高的等精度頻率和周期的測量。
二、硬件電路設計方案
多周期同步測量法的基本思路是使被測信號與閘門之間實現(xiàn)同步化，從而從根本上消除了在閘門時間內(nèi)對被測信號進行計數(shù)時的±1量化誤差，使測量精度大大提高。倒數(shù)計數(shù)器就是基于該方法而設計出來的一種具有創(chuàng)新思想的測頻、測周期的儀器。它采用多周期同步測量法，即測量輸入多個（整數(shù)個）周期值，再進行倒數(shù)運算而求得頻率。其優(yōu)點是：可在整個測頻范圍內(nèi)獲得同樣高的測試精度和分辨率。
（一）系統(tǒng)級方案設計
在選擇多周期同步等精度測量法的情況下，按照自頂向下的設計方法，可以畫出該頻率計的系統(tǒng)級框圖，如圖1所示。根據(jù)測周期、頻率的原理，可以將總體框圖分為三個子系統(tǒng)：輸入通道（即前置整形電路）該部分主要由模擬電路組成的；多周期同步等精度頻率、周期的測量、控制及功能切換（中間部分），該部分基本上由數(shù)字硬件電路組成；單片機及外圍電路，包括單片機、數(shù)碼顯示。
圖 1 頻率計的系統(tǒng)方框圖
（二）子系統(tǒng)設計
1．輸入通道的設計。輸入通道是由前置放大器和整形器組成的，所以要對前置放大器的增益和帶寬指標進行估計。為了能準確測量信號，將輸入信號經(jīng)過一個放大整形電路。其具體實施方案為：將輸入信號經(jīng)過LM358運放放大，再通過74LS132整形，此時的信號還不能直接送入單片機，這是因為在硬件上CPU對INT0和INT1引腳的信號不能控制，解決這個問題要通過硬件，再配合軟件來解決。
2．預置閘門時間發(fā)生電路設計。閘門時間的確定，可以先由一個555定時器產(chǎn)生一個脈沖信號，將555產(chǎn)生的脈沖信號送入到74LS90十進制計數(shù)器當中，由于74LS90具有二-五進制混合計數(shù)的功能，所以可以用它來實現(xiàn)五進制計數(shù)，將74LS90的輸出接到3—8線譯碼器74LS138的輸入端，再將譯碼器的輸出端接上五個發(fā)光二極管，這樣就可以實現(xiàn)硬件上的閘門時間控制。但是考慮到硬件實現(xiàn)上的復雜性，可以通過軟件上來實現(xiàn)，就是將五個發(fā)光二極管直接接到單片機的P1口由軟件上來實現(xiàn)，通過按鍵來改變它的閘門時間。
3．數(shù)碼顯示電路的設計。該部分電路是由單向八位移位寄存器74LS164和數(shù)碼管組成的�？紤]到精度的問題，取五位計數(shù)值，采用五片74LS164級聯(lián)，同時還要顯示頻率和周期的單位，所以還需再級聯(lián)一塊74LS164，在74LS164的輸出端接六個單位指示燈，分別表示周期頻率的三個不同的單位數(shù)量級，即周期單位s，ms，μs和頻率單位Hz，KHz及MHz。移位寄存器的時鐘信號是由單片機的串行輸出口TXD腳控制。
三、軟件設計
（一）軟件主程序流程圖(見圖2）
（二）子程序的設計
1．鍵盤中斷服務子程序。因該頻率計的測量項目較多，所以在系統(tǒng)初始化時，將默認測量項目設置為測頻，且預置閘門時間設置為1ms。具體做法就是在主程序的系統(tǒng)初始化部分，將測頻選擇鍵的鍵值以及預置閘門時間設置代碼寫入單片機RAM單元中去。這樣開機后即使用戶沒有選擇任何測量項目鍵，也能進行頻率測量。
2．軟件計數(shù)器子程序。該頻率計所需要的不同閘門預置時間信號是由單片機產(chǎn)生的。由于預置閘門時間的范圍很寬，最大值為10s，最小值為1ms，僅用單片機中的定時器硬件是不能實現(xiàn)的，需采用軟硬件相結合的方法來實現(xiàn)。其具體實現(xiàn)方案為將C/T0定時器/計數(shù)器設置為由引腳高電平啟動的方式1定時器T0，初始化將其初值設為0.該計數(shù)器的啟動過程如下：主程序首先將單片機P1.6腳置為高電平（邏輯1）發(fā)出預置閘門信號，該信號經(jīng)同步電路而產(chǎn)生高電平的同步門信號，從而使單片機引腳變?yōu)楦唠娖�，C/T0定時器中的計數(shù)器就被啟動開始計數(shù)。
3．數(shù)據(jù)處理子程序。當事件計數(shù)器和時間計數(shù)器的計數(shù)值NA，NB被讀到單片機中后，通過調用數(shù)據(jù)處理子程序，根據(jù)過去讀入并保存在單片機RAM單元中的測量項目的鍵值，預置閘門值代碼，判斷出所要測量的參數(shù)項目，對計數(shù)值NA，NB進行相應的處理，求出所測參數(shù)的值和單位，最后應將參數(shù)值轉換為十進制數(shù)，再轉換為驅動LED數(shù)碼顯示器的段碼（每位包含5個數(shù)字段碼和1個小數(shù)點）以及驅動三個單位符號指示燈之一的位碼，作為顯示子程序的輸入數(shù)據(jù)，存放在9個RAM單元組成的顯示緩沖區(qū)中。對計數(shù)值NA，NB的處理運算要用到除法和乘法，為了提高運算精度，應當采用浮點運算。顯然，采用C語言來編寫這些運算程序可大大提高編程效率。
四、結論
本系統(tǒng)采用大規(guī)模集成電路設計，用C51語言編程，實現(xiàn)了對不同波形、不同頻率信號的測量。在測試時應根據(jù)被測信號頻率的不同，選擇不同的預置閘門時間。根據(jù)測試結果，在低頻端測量誤差<0.01%，在高頻端測量誤差<0.001%，達到設計要求。對誤差進行分析，主要是時間計數(shù)器B沒有經(jīng)過同步門，存在±1量化誤差，這也是誤差存在的主要來源。
圖2主程序流程圖
【參考文獻】
[1]張永瑞．電子測量技術基礎[M]．西安：西安電子科技大學出版社，2002.
[2]張毅剛．MCS-51單片機應用設計[M]．哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，1997.
