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1简易数字频率计摘要设计了以51单片机为核心，实现等精度频率测量、周期测量、脉冲宽度测量及占空比测量等功能的简易数字频率计。等精度频率测量原理保证了在整个测量频段的精度和分辨率，其测量误差与待测信号无关，只与基准频率有关。建立在此基础上的周期测量也就具有较高的精度。此外，系统上电工作时，具有自校功能，能为每次测量提供一个自校准系数，用于修正所测频率，减小了误差。频率、周期、脉冲宽度、占空比测量等功能的切换通过按键实现，并辅以指示灯显示当前测量功能。系统软件采用C语言编写，具有良好的可读性，模块化编程，兼容性强。关键词：频率计等、精度频率测量、自校准、C语言AbstractDesignedasimpledigitalfrequencymeter51microcontrollerasthecoreimplementationofprecisionfrequencymeasurement,periodmeasurement,pulsewidthmeasurement,anddutycyclemeasurement.Precisionfrequencymeasurementprincipleguaranteesthebandintheentiremeasurementaccuracyandresolution,measurementerrorandthesignalundertesthasnothingtodoonlywiththereferencefrequency.Onthisbasis,theperiodmeasurementalsohashighprecision.Inaddition,thesystempower-upwork,schoolfunctions,aself-calibrationcoefficientsforthecorrectionofthemeasuredfrequency,reducestheerrorforeachmeasurement.Theswitchingofthefrequency,period,pulsewidth,dutycyclemeasurementfunctionsviathebuttons,supplementedbyindicatorshowsthecurrentmeasurementfunction.ThesystemsoftwareiswritteninClanguage,withgoodreadability,modularprogramming,strongcompatibility.Keyword：Frequencymeter,theaccuracyoffrequencymeasurement,self-calibration,theClanguage21方案设计与论证1.1方案设计方案一：采用51单片机为控制核心，采用TI公司的比较器LM311构成过零比较器，作为待测信号的放大整形电路。通过单片机产生0.1s，1s，10s等三个不同的时基信号作为测量电路的三个档位。此外，辅以八位数码管动态显示所测频率、周期及脉冲宽度。此方案电路简单，实现起来也相对容易。但LM311过零比较器电路仅对交流输入信号有用，而且其频率特性一般，能测得的最高频率有限，所以此方案不予采用。待测信号放大整形电路显示电路校准电路档位切换图1:基于51单片机的普通频率计方案框图方案二：采用美国国家半导体公司生产的频率-电压变换器LM2907或LM2917，将待测信号的频率转换为相应的电压值，再利用模数转换器实现电压信号到数字信号的转换，最终根据模数转换器的值得到相应的频率值。此方案电路相对简单，但对频率-电压变换器件要求较高，LM2907频率响应范围窄，且输出电压误差与电路中的电阻值有关，另外，模数转换器的精度误差也会给整个系统的频率测量带来误差。更为重要的是，此方案仅对频率测量实用，对待测信号的周期、脉冲宽度的测量就无能为力。待测信号频率-电压变换电路AD转换显示电路图2:采用频率-电压变换频率计方案框图方案三：等精度测量法，即测量输入信号的多个（整数个）周期值，同时对本地基准信号计数，再进行倒数运算求得频率。此方案的放大整形电路采用了双栅场效应管与高频三极管组成的前级信号放大电路，利用施密特触发器将放大后的信号整形并送到同步电路，同步电路由D触发器构成。与直接测量法相比，等精度测量可在整个测频范围内获得同样高的测试精度和分辨率。3待测信号放大整形基准信号预置门限同步电路闸门A闸门B计数器A计数器B图3:等精度频率计方案框图1.2方案论证通过以上论述可知，方案一和方案二虽然电路组成相对简单，但测量精度不高，而且对整个待测频率范围的分辨率有所不同，系统引入误差因素较多。等精度测频方法是在直接测频方法的基础上发展起来的，该方法测量精度高，不会产生±1的计数误差，而且测量频段范围宽，在频率测量中具有广泛的应用前景。因此本系统采用方案三，实现0.1Hz~20MHz频率的测量。2理论分析与计算等精度频率测量原理如图3所示。在测量过程中，有两个计数器分别对标准信号和被测信号同时计数。首先给出闸门开启信号(预置闸门上升沿)，此时计数器并不开始计数，而是等到被测信号的上升沿到来时，计数器才真正开始计数。然后预置闸门关闭信号(下降沿)到时，计数器并不立即停止计数，而是等到被测信号的上升沿到来时才结束计数，完成1次测量过程。可以看出，实际闸门时间T与预置闸门时间T1，并不严格相等，但差值不超过被测信号的1个周期。预置门限T1待测频率Nx实际门限T标准信号频率Ns图3：等精度频率计测量逻辑时序图4设在1次实际闸门时间T中计数器对被测信号的计数值为Nx，对标准信号的计数值为Ns，标准信号的频率为Fs，则有:Nx∕Fx=Ns∕Fs（1）Fx=(Nx∕Ns)∕Fs（2）由式(2)可知，若忽略标额的误差Fs，则等精度频率测量可能产生的相对误差为δ=（|Fx-Fe|∕Fe）×∕100%（3）其中，Fe为被测信号频率的准确值。在测量中，由于Fx计数的起停时间都是由该信号的上升沿触发的，在闸门时间T内对Fx的计数Nx无误差(T=Nx-tx);对Fs的计数Ns最多相差1个数的误差，即|△Ns|≤1，其测量频率为:Fe=[Nx/(Ns+△Ns)]/Fs（4）由以上(1),(2),(3)式可得δ=|△Ns|∕Ns（4）测量的相对误差小于1/N,，而Ns=TxFs,(T为实际闸门时间)，所以，只要选定标准频率和时间闸门，相对误差是个确定的值，和被测频率的大小无关，从而实现了等精度测量。在实现的过程中，可以采用同步方法实现对待测信号的无误差计数，电路简化原理图如下图所示。CNT1和CNT2是两个可控计数器，标准频率信号Fs从CNT1的时钟输入端CLK输人,经整形后的被测信号双从CNT2的时钟输人端CLK输人。每个计数器中的EN输入端为时钟使能端控制时钟输入。CLKENCNT1OUT1DCLKQENCLKCNT2OUT2标准信号待测信号预置门信号图6：等精度频率计核心结构图当预置门信号为高时，实际闸门也没有立即关闭，而是要等到被测信号的上升沿到来才关闭。如此一来，实际闸门时间为被测信号周期的整数倍，即CNT2的计数没有误差。但对于标准信号，因为没有用来和预置门同步，所以还是存在计数的误差，而△Ns1。在方案论证中，已经得到δ=|△Ns|/Ns，所以δ1/Ns。只要闸门时间T足够长，标准频率Fs足够大，就可使得相对误差δ很小。假设Fs=8MHz，预置门为1s即实际的闸门时间也接近1s。由此，Ns≈8x106,δ1/Ns=1/(8x106)=1.25x10-7频率为fx的待测信号经过预处理后得到具有相同频率的方波信号，方波信号经过同步电路与预置门限同步，同步后的闸门信号控制计数器A和计数器B分别对待测信号和本地时钟信号进行计数。因实际门限T是待测信号周期的整数倍，即待测信号的计数值Nx不存在±1的计数误差，测量结果的相对误差与待测信号频率无关，从而达到了在整个测量频段的等精度测量。53系统设计3.1系统硬件设计3.1.1放大电路R2470R1330R310KC8102D1IN4148D2IN4148C5104C16104C13104C4103C310UFB1C2104C147UFL110UHCFrequencyCounter0HZto1100MHzINPUTA+5VJ1SMALOW_OUTQ2NPNQ1BF998RR447KC12CAP+C11CAP+C10CAP+C9CAP+图7：前级信号放大电路原理图待测信号从J1输入，高频信号经过C8耦合，低频信号经过串联的C11和C12电解电容耦合，因待测信号最低频率低至0.1Hz，而且普通无极性电容对于如此低的频率不能做到很好的耦合，所以选用容量较大的电解电容，串联成一个无极性电容。耦合后的信号经过D1和D2进行电压箝位，对于输入信号幅值大于0.7V和小于-0.7V的信号箝位，保护后面的电路。输入级采用双栅场效应管BF998R，作为输入阻抗变换，以降低其对信号源内阻的要求。后级采用高频三极管2SC3356，完成对小信号的放大。双栅场效应管与三极管的耦合也采用了与输入级相同的耦合方式。对于1MHz一下的信号，输出均能达到5V的峰峰值，频率过高，因三极管结电容影响，导致放大倍数减小，高频输出峰峰值达不到5V，但也满足后级整形电路的输入要求。63.1.2整形、分频电路123456GND7111213VCC141098U474HC14LOW_INHIG_IN+5VLOW_OUTR16500RR15500RR17500RR18500RR0(1)2R0(2)3R9(1)6R9(2)7CKA14QA12CKB1QB9QC8QD11U774LS90频率输入分频输出HIG_OUT图8：信号整形、分频原理图整形电路采用了高速CMOS器件构成的施密特触发器74HC14，它不仅抗干扰能力强，避免误操作影响单片机计数，还能把前级放大的不规整的信号整形成与TTL兼容的，单片机易捕捉的方波信号。因系统设计待测频率范围为0.1Hz~20MHz，为了提高高频时频率测量的精度，本系统设计了以10进制计数器74LS90为基础的分频器，多个74LS90级联还可以扩展分频系数。3.1.3同步、校准电路231S1SW-SPDTP34校准信号待测信号R0(1)2R0(2)3R9(1)6R9(2)7CKA14QA12CKB1QB9QC8QD11U774LS90ALT/PROG校准信号预置门限待测信号同步输出信号PRE4CLK3D2CLR1Q5Q6U5ASN74HC74图9：同步及校准电路为设计基于51单片机的等精度频率计，本系统通过一个D触发器实现待测信号和预置门信号的同步过程，通过同步电路处理后，输出的信号是待测信号周期的整数倍，即不存在待测信号正负一的误差，也就解决了低频信号的分辨率过7低的问题。同时，本系统提供了上电自校用的校准电路。使用单片机ALE脚输出的1MHz方波信号，进行10分频得到100KHz，再送入单片机的定时/计数器0的外部引脚上进行测量，将得到的参数与基准频率做比较，得到相应系数，用于之后测量修正用。3.1.4单片机及显示电路频率测量电路选用STC89C52作为频率计的信号处理核心。89C52包含两个16位定时/计数器和8K×8位片内FLASH程序存储器。16位定时/计数器用于实现待测信号的频率测量或者周期测量。同步移位寄存器方式的串行输入/输出口用于把测量结果送至显示电路。8K×8位片内FLASH程序存储器用于放置系统软件。显示电路采用了1602液晶，用于显示待测信号的频率、周期、脉冲宽度等参数。另外辅以三个不同颜色的LED用于标注当前显示的数据类型。P1.67P1.78RST9P3.0RXD10P3.1TXD11P3.2INTI12P3.3INT013P3.4T014P3.5T115P3.6WR16P3.7RD17XTAL218XTAL119GND20P2.021P2.122P2.223P2.324P2.4