電子信息工程專業(yè) 基于單片機(jī)的高精度測頻儀

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1、 基于單片機(jī)的高精度測頻儀 姓名：XX 專業(yè)：電子信息工程 學(xué)號：1111111 摘要：本論文采用MCS—51單片機(jī)設(shè)計測頻儀，采用單片機(jī)與頻率測量技術(shù)相結(jié)合，利用多周期同步測量法測量信號的頻率，多周期同步測量頻率方法具有精確度高、 測量迅速，容易實現(xiàn)測量過程自動化等一系列優(yōu)點，而單片機(jī)內(nèi)部具有定時/計數(shù)器和高穩(wěn)定度的標(biāo)準(zhǔn)頻率源等硬件資源以及靈活的軟件運算和控制功能,能十分方便地對外部信號進(jìn)行計數(shù),并且可以實現(xiàn)邏輯控制及數(shù)據(jù)運算?？朔送ㄓ妙l率計由于 ±1MSB 誤差在高低頻段測量精度不等的缺陷 ,實現(xiàn)了高低頻率的等精度測量。 關(guān)鍵詞：單片機(jī)

2、 頻率 多周期同步法 測頻法 引言 隨著科技的高速發(fā)展，人們將許多參數(shù)的測量都轉(zhuǎn)化為頻率來測量和處理，在電子測量中，頻率的測量精確度是最高的，利用單片機(jī)測量頻率具有精確度高、測量迅速、使用方便、容易實現(xiàn)測量過程自動化等一系列突出優(yōu)點，已成為目前頻率測量的主要方法。由于單片機(jī)內(nèi)部含有穩(wěn)定度較高的標(biāo)準(zhǔn)頻率源、定時/計數(shù)器等硬件，能非常方便的對外部信號或標(biāo)準(zhǔn)頻率信號進(jìn)行計數(shù)，并且可以實現(xiàn)計數(shù)的邏輯控制及數(shù)據(jù)存儲運算等。 多周期同步測量頻率方法具有精度高、測量迅速、容易實現(xiàn)過程自動化等一系列優(yōu)點，已成為目前頻率測量的重要方法。而單片機(jī)內(nèi)部具有定時/計數(shù)器和高穩(wěn)定度的標(biāo)準(zhǔn)頻率源等硬件資源

3、以及靈活的軟件運算和控制功能,能十分方便地對外部信號進(jìn)行計數(shù),并且可以實現(xiàn)邏輯控制及數(shù)據(jù)運算?？朔送ㄓ妙l率計由于 ±1MSB 誤差在高低頻段測量精度不等的缺陷 ,實現(xiàn)了高低頻率的等精度測量。 頻率的測量有多種方法，周期法適用于低頻信號，測頻法適用于高頻信號，多周期同步測量法適用于中頻信號，不同的方法需要設(shè)計出不同的測量系統(tǒng)，由于我們不知道一個頻率的范圍到底是多少，所以實際測量時會很麻煩，不能直接測量，鑒于傳統(tǒng)的測頻法都存在著不少如測量誤差大、量程不寬、使用不便等問題，我研制了一種高精度測頻儀系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用多周期同步法與測頻法相結(jié)合的測頻方法，此方法能迅速測量出各種頻率、精確度高、誤差小、

4、量程寬、直接測量。本文設(shè)計的測頻儀就是基于上述的設(shè)計思路。 設(shè)計原理 基于單片機(jī)的頻率測量儀,通常是通過判斷周期基于單片機(jī)的頻率測量儀,通常是通過判斷周期統(tǒng)主要由 3 大部分組成:波形轉(zhuǎn)換電路、 單片機(jī)電路、LCD1602 顯示電路,如圖1 所示 頻率測量儀要實現(xiàn)對任意波形信號如正弦信號、尖脈沖信號進(jìn)行測量 ,必須要將輸入信號變換成周期性的矩形脈沖信號 ,可以采用如 555 電路等來實現(xiàn). 轉(zhuǎn)換后的矩形脈沖送給單片機(jī) ,單片機(jī)在程序代碼的驅(qū)動下 ,通過定時器/計數(shù)器功能模塊對信號進(jìn)行采樣 ,提取頻率的相關(guān)信息 ,經(jīng)運算處理后轉(zhuǎn)變?yōu)樵盘柕亩M(jìn)制頻率數(shù)值.由于直接顯示二進(jìn)制數(shù)并不直觀

5、,為了方便讀取 ,還需要將二進(jìn)制的數(shù)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的十進(jìn)制壓縮BCD 碼 ,再輸出給字符型液晶顯示器LCD1602 顯示出來。 測量原理和方法 信號預(yù)處理 單片機(jī)是數(shù)字信號處理工具。輸入單片機(jī)的信號必需是離散的數(shù)字信號或者是脈沖信號。因此檢測來的正弦信號必需經(jīng)過預(yù)處理變?yōu)閱纹瑱C(jī)能接受的,且是采集簡便,計算工作量較少的信號。首先將信號通過濾波器濾去高頻干擾和低頻漂移信號, 同時也進(jìn)行線性放大,使之變?yōu)橐徊ㄐ握?guī)幅值適當(dāng)?shù)恼倚盘?然后經(jīng)過零比較器變?yōu)榉讲ㄐ盘栠M(jìn)入單片機(jī)。 原理 交變信號或脈沖信號的頻率是指在單位時間內(nèi)由信號所產(chǎn)生的交變次數(shù)或脈沖個數(shù)，即fx=n/t ?？梢钥闯?測量fx 必

6、將N 或t 兩個量之一作為閘門或基準(zhǔn) ,對另一個量進(jìn)行測量。在一般的數(shù)字電路 中,對fx 的測量是由電路提供標(biāo)準(zhǔn)閘門信號即t=Tc , Tc通常為 1s或它的十倍百倍等,然后對Tc 內(nèi)的被測信號變化的次數(shù)進(jìn)行計數(shù),得到Nx ,即可得到fx=Nx/Tc 。對于低頻信號 ,數(shù)字電路中采用的是測周法 ,即Tx=1/fx=t/N ,由電路提供標(biāo)準(zhǔn)時基信號Tc,將被測信號的周期作為閘門時間,將測量轉(zhuǎn)化為對標(biāo)準(zhǔn)時基信號進(jìn)行計數(shù)Tx=nx/Tc 。在數(shù)字電路中,標(biāo)準(zhǔn)閘門信號或標(biāo)準(zhǔn)時基信號由專門的電路提供。利用MCS-51系列單片機(jī) 運用上述測量原理,標(biāo)準(zhǔn)閘門信號或標(biāo)準(zhǔn)時基信號可由單片機(jī)內(nèi)的定時/計數(shù)器提

7、供 ,只需采用簡單的程序控制就可以測得信號的頻率fx或周期Tx。 頻率測量方法 頻率測量方法適用于高頻信號。充分利用單片機(jī)內(nèi)的兩個定時器/計數(shù)器。一個作為定時器 ,給出標(biāo)準(zhǔn)閘門信號Tc； 另一個作為計數(shù)器 ,對fx的變化次數(shù)直接進(jìn)行計得Nx,則fx=Nx/Tc。 測量時將MCS-51單片機(jī)內(nèi)的兩個定時器/計數(shù)器分別定義：T0為計數(shù)器，T1為定時器，均采用方式控制TMOD為51H。如果單片機(jī)晶振采用1.2MHz,則其機(jī)器周期為16位定時器的最長定時時間只可為655.36ms，先將定時器初值設(shè)為#3CB0H。計數(shù)器T0對信號脈沖計數(shù)，其初始值清為#0000H。 當(dāng)定時器T1開始定時計數(shù)器的

8、同時，打開計數(shù)器T0對外部脈沖計數(shù)；當(dāng)T1=500ms發(fā)生溢出時，響應(yīng)中斷，關(guān)計數(shù)器T0。T0內(nèi)的計數(shù)值Nx即對應(yīng)于被測信號的頻率fx=2Nx,系數(shù)2是由于定時500ms的緣故。頻率法測量圖如下： 頻率測量控制程序如下： MAIN: MOV TMOD, #15H SETB TR1 MOV TL0， #00H …… …… MOV TH0, #00H WAIT: SJMP WAIT MOV TL1，

9、#0B0H IT1: CLR TR0 MOV TH1， #3CH CLR TR1 MOV IE, #88H MOV 40H, TL0 SETB TR0 MOV 41H, TH0 RET1 多周期同步測量方法： T0為16位計數(shù)器,T1 為16 位定時器,對內(nèi)部機(jī)器周期計數(shù)。T0、 T1分別受INT0及

10、INT1(即 D觸發(fā)器的Q端)控制, 即方式控制字為# 09D H。待測信號分別輸入至T0 及 D觸發(fā)器的 CLK 端。開始測量時,將單片機(jī)P10口(即D觸發(fā)器的D端)置0, 即參考閘門信號。一般來說, P1 10口狀態(tài)改變時, f x 正處于某一周期的高電平或低電平處, 觸發(fā)器Q端的狀態(tài)并不會立即改變(即實際閘門信號) , 而是在下一個fx 脈沖的上升沿到來時變?yōu)楦唠娖? T0 與T1 才開始啟動, 實現(xiàn)了二者的同步。在定時時刻到來后,將P110清零,但觸發(fā)器的Q端仍將維持高電平狀態(tài),直至下一個 fx 的脈沖上升沿到達(dá)。對于112MHz晶振, Ts= 10 L s,將T1 定時設(shè)為500m

11、s, 則其 初值為#03CB0H。電路接口如圖所示: 多周期同步法電路接口圖 多周期同步法程序如下： MAIN:MOV TMOD, #09DH MOV TL0， #00H MOV TH0， #00H MOV TL1， #0B0H MOV TH1， #3CH MOV IE, #88H SETB TR0 SETB TR1 …… …… WAIT:SJMP WAIT IT1：CLR TR0 CLR

12、 TR1 CLR 40H, TL0 MOV 41H, TH0 RET1 頻率測量與多周期測量自動轉(zhuǎn)化 對于高頻信號采取直接測頻的方法 ,對于低頻信號采取先測周期,再轉(zhuǎn)換為頻率的方法，可以提高測量的準(zhǔn)確度。所謂高頻 、低頻 ,是以 “中界頻率”來劃分的。中界頻率的定義為對某信號采用測頻法或多周期法測量頻率,兩者引起的誤差相等,測該信號的頻率定義為中界頻率。 測頻法最大相對誤差：△fx/fx=±(1/fxT+∣△fc/fc∣) 多周期最大相對誤差：△Tx/Tx=±(∣△fc/fc∣+Tc/Tx) 根據(jù)中界頻率的定義有：（1

13、/nfxT+∣△fc/fx∣）=(∣△fc/fc∣+Tc/kTx),將公式中被測信號頻率fx換為中界頻率f0,可得到中界頻率表達(dá)式為 f0=√kfc/nT 測量未知信號的頻率時，以中界頻率劃分為中頻和低頻，從而采用測量方法，可以提高測頻的精確度。 AT89S51單片機(jī)可用軟件控制定時/計數(shù)器的工作方式，實現(xiàn)頻率測量和多周期測量的動態(tài)轉(zhuǎn)化。因而在量程寬、高速度的頻率測量中可采用軟件切換的方法來提高測量的精確度和測量的速度。 測量時，以中界頻率f0為界限，人為設(shè)定一個測量周期的上限頻率f0H和一個測量頻率的下限頻率f0L,使foL

14、回差，不丟失本次測量結(jié)果，并實現(xiàn)測頻方式的自動轉(zhuǎn)換。流程圖如下： 測量方法 啟動 頻率測量 多周期測量 溢出 溢出 下限頻率 上限頻率 越下限頻率f0L 越上限頻率f0H 置多周期方式 置測頻方式 返回 結(jié)束語 本次的畢業(yè)設(shè)計論文，我設(shè)計出一種高精度測頻儀，能快速高精度的測量出信號的頻率，誤差小。對與高頻信號直接測量，對與低頻中頻信號采用多周期同步測頻法，提高了頻率測量的精度。 參考文獻(xiàn) 【1】 汪道輝.單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計與實踐[M].電子工業(yè)出版社，2006年5月，第一版：P10-34 【2】 胡學(xué)海.單片機(jī)原理及應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計[M].北京：北京電子工業(yè)出版

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