数字频率计

　　摘要：

利用等精度测量原理实现了频率的测量。并介绍了一种进行等精度数字测量频率的硬件实现方案。该方法简单实用，具有较广的使用价值。

　　关键词：数字频率计；函数信号发生器；闸门时间

　　引言

随着无线电技术的发展与普及，”频率”已成为广大群众所熟悉的物理量。调节收音机上的频率刻度盘可使你选听到你所喜欢的电台节目；调节电视机上的微调旋钮可使电视机对准电视台的广播频率，获得图像清晰的收看效果，这些已成为人们的生活常识。

人们在日常生活、工作中更离不开计时。学校何时上、下课？工厂几时上、下班？火车、班机何时起飞？出差的亲人几日能归来？┈┈，这些都涉及到计时。频率、时间的应用，在当代高科技中显得尤为重要。例如，邮电通讯，大地测量，地震预报，人造卫星、宇宙飞船、航天飞机的导航定位控制都与频率、时间密切相关，只是其精密度和准确度比人们日常生活中的要求高得多罢了。

本次设计主要采用直接测频法制成一个测量范围在0~9999Hz的频率计。该频率计的闸门信号的采样时间为1s，并采用4位数码显示，输入信号幅度范围0.8~5V。它不仅可以测量正弦波、方波、三角波和尖脉冲信号的频率，而且还可以测量它们的周期。

　　第1章绪论

　　1.1研究背景及主要研究意义

频率是电子技术领域永恒的话题，电子技术领域离不开频率，-旦离开频率，电子技术的发展是不可想象的,为了得到性能更好的电子系统,科研人员在不断的研究频率，CPU就是用频率的高低来评价性能的好坏，可见，频率在电子系统中的重要性。

频率计又称为频率计数器,是一种专门对被测信号频率进行测量的电子测量仪器，其最基本的工作原理为:当被测信号在特定的时间段T内的周期个数N时，则被测信号的频率f=N/T.电子计数器是一种基础测量仪器,到目前为止已有三十多年的发展历史。早期，设计师们追求的目标主要是扩展测量范围，再加上提高测量精度、稳定度等，这些也是人们衡量电子计算机的技术水平,决定电子技术器价格高低的主要依据。目前这些技术日臻完善，成熟。应用现代技术可以轻松地将电子计数器的频率扩展到微波频段。

　　1.2数字频率计的发展现状

随着科学技术的发展，用户对电子计数器也提出了新的要求。对于低档产品要求使用操作方便，量程(足够)宽，可靠性高，价格低。而对中高档产品，则要求有较高的分辨率，高精度，高稳定度，高测量速率;除通常通用计数器所具有的功能外，还要有数据处理功能，统计分析功能等等,或者包含电压测量等其他功能。这些要求有的已经实现或者部分实现，但要真正地实现这些目标，对于生产厂家来说，还有许多工作要做，而不是表面看来似乎发展到头了。

由于微电子技术和计算机技术的发展,频率计都在不断地进步着,灵敏度不断提高，频率范围不断扩大，功能不断增加。在测试通讯、微波器件或产品时,通常都市较复杂的信号，如含有复杂频率成分、调制的含有未知频率分量的、频率固定的变化的、纯净的或叠加有干扰的等等。为了能正确的测量不同类型的信号，必须了解待测信号特性和各种频率测量仪器的性能。微波技术器一般使用类型频谱分析仪的分频或混频电路，另外还包含多个时间基准、合成器、中频放大器等。虽然所有的微波计数器都是用来完成技术任务的，但各自厂家都有各自的一套复杂计数器的设计、使得不同型号的技术其性能和价格会有所差别，比如说一些计数器可以测量脉冲参数，并提供类似与频率分析仪的屏幕显示，对这些功能具有不同功能不同规格的众多仪器，我们应该视测试需要正确的选择以达到最经济和最佳的应用效果。

电子计数器是其它数字化仪器的基础，在他的输入通道接入各种模数变换器,再利用相应的换能器便制成各种数字化仪器。电子计数器的优点是测量精度高，量程宽、功能多、操作简单、测量速度快，直接显示数字，而且易于实现测量过程自动化，在工业生产和科学实验中得到广泛的应用。:

频率计的主要实现方法有直接式、锁相式、直接数字式和混合式四种。直接式的优点是速度快、相位噪声低但结构复杂、杂散多，一般只应用在地面雷达中。锁相式和直接数字式都同时具有容易实现产品系列化、小型化、模块化和工程化的特点，其中锁相式更是以其容易实现相位同步的的自动控制且低功耗的特点成为各种众多业内人士的首选，应用最为广泛。

　　1.3本课题主要研究内容

在本次设计中我们要以单片机8051为控制核心，设计出有数字显示的简易频率计，同时要求检测的电路，测量信号类型为方波、正弦波，测量范围为0.5-5V,测量频率为1HZ-1MHZ,测量误差0.1%，且有-一个六位系统显示电路，能循环显示测量值。

　　第2章方案论证

　　2.1数字频率计测量方法的论证及选择

1.直接测量法

直接测量法:无需利用被测量与其他实测量之间的函数关系进行额外计算,就可直接得到被测量的值的测量方法。

依据基本原理所实现的频率、周期以及脉冲宽度的数字化测量是一种直接测量法，由于该方案比较简单，若能够满足本题任务的要求则应作为首选方案。通过对测频、测周期以及测脉冲宽度的数字化测量方法的基本原理及其测量误差的分析，得在被测信号的整个频率范围内，无论采用直接测频或直接测周期的方法均不能全面满足测试误差≤0.1%的要求。

2.间接测量法:

间接测量法:通过对与被测量有已知关系的其他量进行直接测量,来确定被测量的值的测量方法。在实际应运中采用直接和间接测量相结合的测量方法能使任务书提出的误差要求得到满足。

中界频率:当fx≥fm时，直接测频，间接测周;当fx≤fm时，直接测周，间接测频

3.多周期同步测量法

多周期同步测频法，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土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。

根据任务书要求，因此采用上述(2)、(3)方案都能实现频率的测量。但是本论文设计的是-个用单片机做为电路控制系统的数字式频率计，采用(2)方案，操作麻烦，控制电路较复杂;采用(3)方案多周期同步测频法，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。因此,本次设计采用多周期同步测量法。

在采够周期同步等精度测量法的情况下,按照自顶向下的设计方法，可画出该频率计的系统框图。如图1所示。

图1频率计的系统框图

本设计任务书要求主要以单片机8051为核心，被测信号先进入信号放大电路进行放大，再被送到波形整形电路整形，把被测的正弦波或者三角波整形为方波。利用单片机的，计数器和定时器的功能对被测信号进行计数。编写相应的程序可以使单片机自动调节测量的量程,并把测出的频率数据送到显示电路显示。

　　2.2方案论证与选择

方案一:

主要由四个部分组成:信号整形部分、单片机控制部分、时基电路部分、数据储存部分、和数据显示部分。整体框图如图2所示

图2方案一系统结构框图

方案二：

方案二由五个部分组成：信号整形部分、分频处理部分、数据选择部分、单片机部分和数据显示部分。整体框图如图3所示。

图3方案二结构框图

通过方案二与多周期同步测量方法相结合可画出该频束计的子系统级总体框图如图2-4所示。该框图可分为三个子系统:

(1)输入通道(最左边)，该子系统主要由模拟电路组成;

(2)多周期同步等精度频事、周期、时间等的测量控制及功能切换逻辑<中间部分,该子系统基本上由数字硬件电路组成。

(3)单片机及其外围部件(最右边)。

图4单片机及其外围部件

　　第3章硬件电路的设计

　　3.1数字频率计硬件系统框图

数字频率计硬件系统框图如图5所示。

图5频率计电路

　　3.28051単片机的筒介

単片机是70年代中期岌展起来的一-神大規模集成申路芯片,包含CFU、RAMI、ROMI、I\o接口和中断系統。80年代以来，単片机友展迅速，各樊新六品不断涌現，出現了杵多高性能新型机神，現已逐漸成カエ厂自劫化和各控制領域的支柱戸止之一。8051単片机内部咆含了作カ微型竍算机所必須的基本功能部件,各功能部件相互独立的集成在同–芯片上。8051系列的基本結杓如下:

①8位CPU

②4KB字芍掩膜ROM程序存儲器

③128字芍内部RAME数据存儲器

④兩个16位定吋\汁数器

⑤1个全双工的昇歩串行ロ

⑥5个中断源,兩个中断代先級的中断控制器

⑦吋狆屯路，外接晶振和屯容可六生12MHz~12MHz的吋中頻率

　　3.3存储器

在微机系统中凡能存储程序和数据的部件统称为存储器。构成存储器的存储介质，目前主要采用半导体器件和磁性材料。存储器中最小的存储单位就是一个双稳态半导体电路或一个CmOS晶体管或磁性材料的存储元，它可存储一个二进制代码。由若干个存储元组成一个存储单元，然后再由许多存储单元组成一个存储器。-个存储器包含

许多存储单元，每个存储单元可存放一个字节(按字节编址)。每个存储单元的位置都有一个编号，即地址，一般用十六进制表示。一个存储器中所有存储单元可存放数据的总和称为它的存储容量。假设一个存储器的地址码由20位二进制数(即5位十六进制数)组成，则可表示2的20次方，即1M个存储单元地址。每个存储单元存放一个字节，则该存储器的存储容量为1MB。

存储器的主要功能是存储程序和各种数据，并能在计算机运行过程中高速、自动地完成程序或数据的存取。存储器是具有“记忆”功能的设备，它采用具有两种稳定状态的物理器件来存储信息。这些器件也称为记忆元件。在计算机中采用只有两个数码“0”和“1”的二进制来表示数据。记忆元件的两种稳定状态分别表示为“0”和“1”,。日常使用的十进制数必须转换成等值的二进制数才能存入存储器中。计算机中处理的各种字符，例如英文字母、运算符号等，也要转换成二进制代码才能存储和操作。

按存储介质分为半导体存储器、磁表面存储器。按存储方式分为随机存储器、顺序存储器。按存储器的读写功能分为只读存储器(ROM)、随机读写存储器(RAM。按信息的可保存性分为非永久记忆的存储器、永久记忆性存储器。按存储器用途分为主存储器、辅助存储器、高速缓冲存储器、控制存储器等。

　　第4章数字频率计软件设计

本设计软件部分采用了MCS-51汇编语言编制，采用了结构化，模块化的程序设计方法。包括了主程序、外部中断0子程序、外部中断1子程序、显示子程序等模块组成。本章还给出了详细的流程图。

　　4.1软件编程思路

4.1.1信号处理

在频率计开始工作，或者完成一次频率测量,系统软件都进行测量初始化。测量初始化模块设置堆栈指针(SP)、工作寄存器、中断控制和定时/计数器的工作方式。

定时/计数器的工作首先被设置为计数器的计数寄存器清0后,置运行控制位TR为1,启动对待测信号的计数。计数闸门由软件延时程序实现，从计数闸门]的最小值开始，也就是从测量频率的高量程开始。计数闸结束时IR清0,停止计数。计数寄存器中的值通过16进制数道10进制数转换程序转换为10进制数。对10进制数的最高位进行判别，若该位不为0,满足测量数据有效位数的要求，测量值和量程信息一起送到显示模块;若该位为0，将计数闸门]的宽度扩大10倍，重新对待测信号的技术，直到满足测量数据有效位数的要求。

待测信号经预处理电路分频后变成较宽的方波信号，并加至单片机的P3.4引脚，为.单片机测信号频率提供有效的输入信号。单片机通过检测P3.4引脚来判断是否启动测周期程序。当该引脚为高电平时则等待,知道该引脚出现低电平时才开始测周期。首先将零赋给THO、TLO两个寄存器，将定时器T0的运行控制位TRO置位，同时也将ET0置位以允许定时器T0终端，然后再判断P3.4引脚是否还为低电平，当不是低电平时则等待。–旦出现低电平则使TRO复位以终止定时器，测周期程序结束。在测周期过程中，会发生定时器T0的中断，每发生一次中断则将RO寄存器加一，因此RO实际上是周期值的高字节。测出的周期值存储在RO、THO、IL0三个寄存器中，然后将其转换成频率。由于所测周期的单位是内s,再相除转换时要将被除数扩大10倍，这样才能保证得出正确的频率。得出的频率放到R1、R2、R3三个寄存器后调用转换BCD代码模块。调用显示消除多余零和显示数据存储模块，将要显示的频率值通过查表抓换成相应数据8段码防到显示缓冲区以备显示。

　　第5章结论

基于单片机的频率计的设计涉及到计算机的硬软件知识，通过对系统的设计和调试，本次设计主要完成了以下工作:

1提出基于单片机的数字频率计设计的基本方案;

2完成了整形电路、同步电路、分频电路、主控门]电路等相应的硬件电路设计及仿真;

3编译了数字式频率计的控制程序、数码转化程序、数据显示程序等系统软件程序;

通过本次设计，让我学会了从系统的高度来考虑设计的方方面面，对电路的设计和研究有了更深刻的体会;让我了解到软件的设计是建立在对硬件了解的基础上的，特别是对单片机的功能，引脚定义和内部结构要有较为详细的了解，此外对电路板中所用到的各个芯片的引脚和功能，也要进行了解;在编写程序时，进行模块化设计，以严谨的态度进行编程,避免出现低级错误，养成为程序添加注释和说明的好习惯,以便自己的修改和阅读者轻松的了解程序的各部分及整体的功能。

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