在電子技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)，頻率是一個最基本的參數(shù)，頻率與其它許多電參量的測量方案，都有十分密切的關(guān)系。因此，頻率的測量就顯得更為重要，而且，目前在電子測量中，頻率的測量精確度最高。

1. 電子計(jì)數(shù)測頻原理框圖

首先，被測信號通過放大整形，形成幅度一致，形狀一致是計(jì)數(shù)脈沖。然后，N將它加到閘門的一個輸入端，閘門由門控信號來控制其關(guān)閉時間。計(jì)得的脈沖送至譯碼，再送顯示器顯示出來。而由晶振產(chǎn)生的1MHz的振蕩信號經(jīng)放大整形，形成方波，經(jīng)多個10分頻10s，1s，0.1s，0.01s，1ms，那么有fx=N／T符合測頻定義。根據(jù)f=N／T。不難看出，采用計(jì)數(shù)器測頻的測量誤差，一方面決定于閘門時間T準(zhǔn)不準(zhǔn)確，即由晶振提供的標(biāo)準(zhǔn)頻率的準(zhǔn)確度△T／T=-（△fo／fo）；另一方面決定于計(jì)數(shù)器計(jì)得的數(shù)準(zhǔn)不準(zhǔn)，即“±1誤差”，△N／N=±1／N=±（1／○XTfx）。所以，計(jì)數(shù)器直接測頻的誤差主要有兩項(xiàng)，即±1誤差和標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差。測低頻時，由于±1誤差產(chǎn)生的測頻誤差大得驚人，所以不宜采用直接測頻方法。由于fX較低時，利用計(jì)數(shù)器直接測頻，由±1誤差所引起的測頻誤差將會大到不可允許的程度。所以，為了提高測量低頻時的準(zhǔn)確度，即減少±1誤差的影響，可改成先測周期Tx，然后計(jì)算fx=1／Tx。

2. 電子計(jì)數(shù)器測周期原理

Tx經(jīng)放大整形控制雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器形成門控信號，控制閘門的開閉；然后晶搌產(chǎn)生的1MHz的振蕩信號，經(jīng)放大整形形成方波，產(chǎn)生幅度一致，形狀一致是計(jì)數(shù)脈沖。當(dāng)閘門打開時，對計(jì)數(shù)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)；閘門關(guān)閉時，停止計(jì)數(shù)。計(jì)得的脈沖送譯碼，送顯示。

3. 單片機(jī)定時器工作原理

8XX51單片機(jī)的定時器T1由TH1，TL1組成，定時器T0由TH0，TL0組成。它們均為八位寄存器，映射在特殊功能寄存器中，占地址8AH、8BH。它們用于存放定時或計(jì)數(shù)的初始值。此外，內(nèi)部還有一個八位的方式選擇寄存器TMOD和一個八位的控制寄存器TCON，占地址89H和88H，用于選擇定時器／計(jì)數(shù)器的工作方式，如計(jì)數(shù)還是定時（C／-T），啟動的方式（GATE）及發(fā)啟動控制信號TRx。

定時和計(jì)數(shù)實(shí)質(zhì)都是對脈沖的計(jì)數(shù)，只是被計(jì)的脈沖的來源不同，定時方式的計(jì)數(shù)初值和被計(jì)脈沖的周期有關(guān)，而計(jì)數(shù)方式的計(jì)數(shù)初值只和被計(jì)脈沖的個數(shù)有關(guān)（計(jì)由高到低的邊沿數(shù)）。

8031單片機(jī)內(nèi)含有兩個16位可編程定時／計(jì)數(shù)器。均可編程對內(nèi)部機(jī)器周期計(jì)數(shù)（定時方式），或?qū)ν獠恳_輸入的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)（計(jì)數(shù)方式）。CPU工作于12MHz主頻時，外部最高計(jì)數(shù)頻率500kHz，內(nèi)部時鐘計(jì)數(shù)頻率達(dá)1MHz。定時器的基準(zhǔn)定時脈沖周期為1μs，當(dāng)采用測頻方式時，T／C0編程為計(jì)數(shù)方式，對被測信號頻率計(jì)數(shù)，產(chǎn)生欲置的檢測時間。由于定時器最長的定時時間為65535s，欲產(chǎn)生更長的檢測時間需使用軟件計(jì)數(shù)器，中斷多次即可獲得所需檢測時間。被測頻率較低時，則選用測周方式；T／C1編程為定時方式，用來對m個輸入脈沖周期所經(jīng)歷的時間計(jì)時。

4. 等精度測量原理框圖

微處理器的主要優(yōu)點(diǎn)之一是可以利用微處理器的數(shù)據(jù)處理能力，減少測量過程中產(chǎn)生的隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差，從而提高測量精度，所以往往把單片機(jī)運(yùn)用在電子測量過程中，來提高測量精度。

實(shí)現(xiàn)等精度測量原理，關(guān)鍵是使Nx不產(chǎn)生誤差，而No不超過±1誤差。利用PC機(jī)總線技術(shù)，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的控制門電路，實(shí)現(xiàn)對被測頻率信號的計(jì)數(shù)及相應(yīng)的精確閘門時間，并使閘門的開啟與關(guān)閉和被測信號的有效跳變同步。

預(yù)置門的打開和關(guān)閉由被測信號和預(yù)置的測量時間控制，計(jì)數(shù)器Nx在預(yù)置門的控制下對被測信號頻率計(jì)數(shù)，控制門根據(jù)預(yù)置門產(chǎn)生一個與被測信號同步的同步門；計(jì)數(shù)器No在同步門的控制下對時標(biāo)計(jì)數(shù)，得到精確的閘門時間Tg。設(shè)時標(biāo)周期為To，則被測頻率Fx=Nx／NoTo。

單片機(jī)采用定時ls的測頻法先對信號進(jìn)行預(yù)測，軟件根據(jù)頻率高低自動選擇檢測時間或周期擴(kuò)展倍數(shù)，以保證各檔都有較高測量精度。當(dāng)輸入信號頻率超過100kHz時，信號經(jīng)擴(kuò)展計(jì)數(shù)器分頻后送入8031按測頻法測量，頻率檢測時間設(shè)有三檔，分別為0.01s、0.1s、1s。在轉(zhuǎn)入周期測量后，信號直接送入單片機(jī)，周期擴(kuò)展倍數(shù)有104、103、102、10、1五檔。

由于單片機(jī)的最高計(jì)數(shù)頻率為500kHz，限制了測頻范圍，必須對高頻進(jìn)行分頻。擴(kuò)展n分頻器后，將會產(chǎn)生分頻誤差。這個n分頻最大將導(dǎo)致（n-1）個待測頻率周期的分頻誤差。該誤差量級與“±l”誤差相當(dāng)，甚至更大。為了提高測頻分辨率，我們采用了硬件同步分頻技術(shù)，即在閘門開啟的有效上升沿時刻，對74LS591分頻器清零。在閘門關(guān)閉時刻，將分頻狀態(tài)打入總線緩沖器74LS244，8031通過緩沖器讀出其值，從而消除了“分頻誤差”。

在本系統(tǒng)中，T／C1編程為定時方式時，在12MHz晶振下其最大定時時間只有65.536ms，需采用軟件來擴(kuò)展計(jì)數(shù)器的容量。即計(jì)數(shù)器每溢出中斷一次，片內(nèi)RAM的內(nèi)容加一計(jì)數(shù)，這樣大大擴(kuò)了單片機(jī)的計(jì)數(shù)范圍。但同時也引入了中斷響應(yīng)的時間誤差，我們稱之為“軟件誤差”。頻率計(jì)的核心是時間基準(zhǔn)的正確性，因此在中斷后重置定時器時間常數(shù)時，不能簡單地采用重置辦法。從單片機(jī)的中斷響應(yīng)系統(tǒng)及其響應(yīng)過程可知：（1）定時器每次溢出中斷時，WAIT語句必須執(zhí)行完才能響應(yīng)，該條指令的執(zhí)行時間為2μs，我們?nèi)∑淦骄舆t時間為1μs；（2）CPU響應(yīng)中斷到執(zhí)行中斷服務(wù)程序首條指令至少需3個完整的機(jī)器周期，即延時3μs；（3）中斷服務(wù)程序中實(shí)際的定時時間是在執(zhí)行完時間常數(shù)的裝載指令后才開始，兩條裝載指令占用4μs。根據(jù)以上分析。每次中斷后，將延遲約8μs后才開始定時。實(shí)際獲得的定時時間必須考慮到8μs的延遲，該頻率計(jì)采用軟件補(bǔ)償?shù)奶幚矸椒▉斫档推溆绊?。由于軟件修正相?dāng)方便在儀器調(diào)試中可作進(jìn)一步的調(diào)整，因此基本上可消除軟件誤差。

頻率計(jì)根據(jù)被測信號頻率的大小，軟件控制自動切換頻率檢測時間，或自動轉(zhuǎn)換為周期測量，其軟件設(shè)計(jì)采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，程序設(shè)計(jì)與調(diào)試都很方便，功能擴(kuò)充也很靈活。單片機(jī)上電復(fù)位后，首先執(zhí)行主程序，完成有關(guān)芯片和定時器的初始化，設(shè)置數(shù)據(jù)緩沖區(qū)、顯示方式、數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)器初值及頻率初測方式等。開中斷后，隨時檢測外部中斷和定時器所發(fā)出的中斷請求信號，一旦有則轉(zhuǎn)入相應(yīng)的中斷服務(wù)程序，否則返回顯示程序，顯示所測的頻率值。

5. 結(jié)束語

本文通過比較以往電子計(jì)數(shù)測頻原理、電子計(jì)數(shù)測周期原理的分析，結(jié)合單片機(jī)定時／計(jì)數(shù)器的工作原理，給出了等精度測量原理以及軟件誤差的消除方法。實(shí)現(xiàn)起來簡單可靠且性能穩(wěn)定、精度高、性價比低等優(yōu)點(diǎn)。

責(zé)任編輯：gt