基于单片机的等精度频率计设计.pdf

1994 2010 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 第21卷第2期重庆工商大学学报 自然科学版 2004年4月 Vol 21 No 2J Chongqing Technol Business Univ Nat Sci Ed Apr 2004 收稿日期 2003 05 20 修回日期 2003 11 04 作者简介 谈学 1956 男 湖北省武汉市人 高级实验师 从事电子技术应用研究 文章编号 1672 058X 2004 02 0133 04 基于单片机的等精度频率计设计 谈 学 重庆工商大学 计算机科学及信息工程学院 重庆400033 摘 要 针对传统测频原理的频率计的测量精度随被测信号频率的下降而降低 在实用中 有较大的局限性 在对等精度测量原理和测量误差进行详尽介绍和分析的基础上 介绍了基于 单片机的等精度频率计的系统构成和工作原理 以及系统的硬 软件设计 关键词 单片机 等精度 频率计 误差 中图分类号 TM 935 13 文献标识码 A 传统的频率测量是在累加计数电路中增加一组能产生 单位时间 信号的电路 并用这一信号控制闸 门的开闭来实现的 这个 单位时间 称其为闸门时间Tg 测得的频率fx是在闸门时间Tg内通过的脉冲 数N与Tg之比 即fx N Tg 由于频率计工作时 计数脉冲都经过闸门送入计数器 一般情况下 闸门 的开与闭和计数脉冲的送入在时间关系上是随机的 这样在相同的闸门时间内 计数器对同样的脉冲串 计数时 得到的脉冲个数可能不相同 产生的误差的极限范围为 1个字 因此 N的误差和Tg的误差都 会引入测频误差 Tg是由时基信号决定的 它通常是由石英晶体振荡器产生的标准信号f0经n级十分 频电路得到 即Tg 10 n 1 f0 因此 fx N Tg N f0 10 n 其频率测量的相对误差 dfx fx 为 dfx fx dN N df0 f0 即 f N 0 1 其中 f dfx fx为测频率的相对误差 N dN N 1 N为读数的相对误差 即量化误差 0 df0 f0为石英晶体振荡器的频率准确度 常用频率稳定度表示 由式 1 可知 频率测量的相对误差由量化误差和系统石英晶体振荡器的频率稳定度组成 其中量 化误差与被测信号的频率高低以及选用的闸门时间的长短有关 对于同一被测频率fx 选取闸门时间愈 长 误差越小 当取一定闸门时间时 fx越高 误差越小 从而使得在测频过程中出现高频端测试精度较 高 而低频端测试精度较低 测量精度随被测信号频率的下降而降低的缺陷 1 等精度测量原理及误差分析 1 1 测量原理 等精度频率测量原理如图1所示 当测量开始后 由被测 信号的上升沿同时打开预置门和同步门启动两个计数器分别对 标准频率信号和待测信号同时开始计数 到达预置时间Tg后 预置门关闭 但两个计数器并不停止计数 随后而至的待测信号 的上升沿到来时 同步门关闭 两个计数器才同时停止计数 测 得的计数值分别为N0和Nx 1994 2010 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 1 2 误差分析 由上述测量原理可知 有下式成立 fx Nx f0 N0 2 由此可推得 fx f 0 N0 Nx 3 设所测频率的准确值为fx0 在一次测量中 由于fx计数的起停时间是由该信号的上升沿控制的 因 此 在Tg时间内对fx的计数Nx无误差 在此时间内f0的计数N0最多相差一个脉冲 即 N0 1 则 下式成立 fx Nx f0 N0 fx0 Nx f0 N0 N0 4 由此可分别推得 fx f 0 N0 Nx fx0 f0 N0 N0 Nx 5 根据相对误差公式有 fx0 fx 0 fx0 fx fx0 6 将式 3 和式 5 代入式 6 整理后可得 fx0 fx0 N0 N0 7 因为 N0 1 所以 N0 N0 1 N0 8 即相对误差 f fx0 fx0 1 N0 9 其中 N0 TS f0 10 由上式可以得出结论 1 相对误差 f与被测信号频率无关 2 增大Tg或提高f0 可以增大N0 从 而减小测量误差 提高测量精度 3 测量精度与预置门宽度和标准频率有关 与被测信号频率无关 4 标准频率误差为 f0 f0 由于石英晶体的频率稳定 度很高 标准频率误差很小 在系统时钟频率f 12 MHz时 f0 f 12 1 MHz 由式 10 可计算出不同TS时的相对误差如 表1所示 表1 等精度频率计的相对误差 同步门时间TS s 相对误差 f 0 0110 4 0 110 5 110 6 1010 7 2 系统硬件设计 采用单片机AT89C52作为系统控制核心单元 辅以适当的软 硬件资源完成以单片机为核心的等精 度频率计的软硬件设计及系统实现 系统框图如图2 2 1 限幅放大及整形 该部分电路的功能主要是完成 对弱信号的放大和强信号的限幅处 理 并将各种形式的被测模拟信号 整形为适合单片机处理的数字脉冲 信号 该放大电路为一宽带放大 器 在本设计中将ECL数字集成电 路的线接收器用于系统的前置信号 的放大处理电路 成功地解决了信号从0 30 MHz宽带线性不失真放大的技术难题 保证了信号频率测量 431重庆工商大学学报 自然科学版 第21卷 1994 2010 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 范围的实现 2 2 可编程分频器 该电路主要用来扩展测频上限 扩大频率测量范围 从理论上来讲 当单片机系统时钟频率为12 MHz时 其内部计数器的最大计数频率为500 kHz 考虑到信号的占空比等因素 实际测量的最高频率低 于500 kHz 为了保证测频上限 30 MHz 必须对高于500 kHz的信号进行分频处理 系统在单片机的控 制下 结合可编程分频器电路 实现了测频上限的扩展和测频量程的自动转换 提高了频率计的实用价值 和智能化程度 2 3 同步门逻辑控制电路 同步门逻辑控制电路由D触发器构成 图2 由它来产生同步门信号Ts 在测量开始后 利用单片 机的P1 7作为预置门信号Tg的输出线 当P1 7 1时 在被测信号的上升沿作用下D触发器的输出Q 1 使得单片机的INT0 INT1同时为1 启动单片机内部的定时 计数器开始工作 其中 T0对被测信号 fx进行计数 T1对内部频标f0进行计数 当预置门时间到达Tg后 预置门关闭使得P1 7 0 但D触发 器的输出Q仍然为1 因此两个计数器并不停止计数 直到随后而至的待测信号的上升沿到来时 才使得 D触发器的输出Q 0 同步门关闭 两个计数器才同时停止计数 2 4 键盘 显示电路 键盘主要用于测量精度和测量功能的选择 显示电路主要用来显示 测量结果 3 系统软件设计 系统软件的设计主要是保证和硬件电路相结合 正确地实现等精度 测量 整个系统软件的设计采用了自顶向下的模块化的结构方式 将各 个功能分成独立模块 由系统的监控程序统一管理执行 本系统软件的 功能主要包含两大类 一类是执行软件 它主要完成各种实质性的功能 如测量 计算 显示 定时中断服务 键盘中断服务等 另一类是监控软件 它主要用来协调各执行模块和操作者的关系 在系统软件中充当组织调 度的角色 系统监控软件流程图见图3 4 结束语 经实验测试 该设计的主要技术指标为 1 测频率范围 0 30 MHz 2 四级测量精度可预置 10 4 10 5 10 6 10 7 3 量程自动转换 4 输入阻抗 ri 1 M 5 输入灵敏度 30 mV rms 等精度频率测量方法消除了量化误差 可以在整个测试频段内保持 高精度不变 其精度不会因被测信号频率的高低而发生变化 采用单片 机作为控制核心的等精度频率计 可以充分利用单片机软件编程技术对 测量数据进行线性化处理 对测量误差进行修正 提高了仪器的测量精 度 对测量数据进行预处理 实现量程自动转换和测频上限的扩展以及测 量精度的预置 提高了仪器的智能化程度 参考文献 1 余永权 ATMEL89系列单片机应用技术 M 北京 北京航空航天大学出版社 2002 2 李华 MCS 51系列单片机实用接口技术 M 北京 北京航空航天大学出版社 1993 3 周航慈 单片机应用程序设计技术 M 北京 北京航空航天大学出版社 1991 531第2期 谈 学 基于单片机的等精度频率计设计 1994 2010 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved Design of equal precision frequency meter based on microcontroller TAN Xue Computer Science and Information Engineering College Chongqing Technology and Business University Chongqing 400033 China Abstract The measuring precision of frequency meter based on traditional frequency measuring principle lowers with the descent of the measured frequency so there are great limitations in practical application According to the analysis of equal precision frequency measuring principle and measuring error this paper introduced the system con2 stituents and principle of equal precision frequency meter based on microcontroller The system designs about hardware and software were also presented in detail Key word microcontroller equal precision frequency meter error 责任编辑 杨祖彬 上接第114页 项引起的 例2 考虑方程 x t 1 5 x t 1 1 5 x t 3 2 5 x t 2 Me 1 12 其中M 1 1 5 e 1 5 e3 2 5 e2 0 易知方程 12 对应的齐次方程振动 因其特征方程无实根 注意 到方程 12 有最终正解 x t e t 依定理1 方程 12 的每一个解都最终为正 方程 12 的非振动性是由 强迫项e t引起的 参考文献 1 Y U J S ZHANGB G QIAN X Z Oscillation of delay difference equations wit oscillating coefficients J J Math Ana Appl 1993 177 2 432 444 2 Y AN J R QIAN X Z Oscillation and comparision resultsfor delay difference equations J J Math Ana Appl 1992 165 2 346 360 3 张玉珠 燕居让 具有连续变量的差分方程振动性判据 J 数学学报 1995 38 3 406 411 Forced oscillation for difference equations with continuous arguments CHEN Shi zhou Hanshan Teachers College Chaozhou Guangdong 521041 China Abstract By usingLebesgue s dominated convergence theorem several new comparison theoremsfor the oscilla2 tions of the difference equations with continuous arguments were established Sufficient conditions were obtained for forced oscillations of the difference eq