基于單片機的等精度頻率計設計

0 引言
隨著(zhù)微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，特別是單片微機的出現和發(fā)展，使傳統的電子測量?jì)x器在原理、功能、精度及自動(dòng)化水平等方面都發(fā)生了巨大的變化，形成一種完全突破傳統概念的新一代測量?jì)x器。頻率計廣泛采用了高速集成電路和大規模集成電路，使儀器在小型化、耗電、可靠性等方面都發(fā)生了重大的變化。傳統的頻率計測量誤差較大，等精度頻率計以其測量準確、精度高、方便等優(yōu)勢將得到廣泛的應用。
傳統的測頻方法有直接測頻法和測周法[1]，在一定的閘門(mén)時(shí)間內計數，門(mén)控信號和被測信號不同步，計數值會(huì )產(chǎn)生一個(gè)脈沖的誤差。等精度測頻法采用門(mén)控信號和被測信號同步，消除對被測信號計數產(chǎn)生的一個(gè)脈沖的誤差。等精度頻率測量方法消除了量化誤差，可以在整個(gè)測試頻段內保持高精度不變，其精度不會(huì )因被測信號頻率的高低而發(fā)生變化。采用單片機作為控制核心的等精度頻率計，可以充分利用單片機軟件編程技術(shù)實(shí)現等精度測頻。通過(guò)單片機對同步門(mén)的控制，使被測信號和標準信號在閘門(mén)時(shí)間內同步測量，為了提高精度，將電子計數功能轉為測周期，采用多周期同步測量技術(shù)，實(shí)現等精度測量。
1等精度頻率計的測量原理
1．1等精度頻率計的測量原理

基于傳統測頻原理的頻率計的測量精度將隨被測信號頻率的變化而變化。傳統的直接測
頻法其測量精度將隨被測信號頻率的降低而降低，測周法的測量精度將隨被測信號頻率的升高而降低，在實(shí)用中有較大的局限性，而等精度頻率計不但具有較高的測量精度，而且在整個(gè)頻率區域能保持恒定的測試精度。
等精度頻率的測量原理圖1所示[2]。頻率為fx的被測信號經(jīng)通道濾波、放大、整形后
輸入到同步門(mén)控制電路和主門(mén)1（閘門(mén)），晶體振蕩器的輸出信號作為標準信號（時(shí)基信號）輸入到主門(mén)2。被測信號在同步控制門(mén)的作用下，產(chǎn)生一個(gè)與被測信號同步的閘門(mén)信號，被測信號與標準信號（時(shí)基信號）在同步門(mén)控制信號的控制下。在同步門(mén)打開(kāi)時(shí)通過(guò)同步門(mén)分別輸入到事件計數器和時(shí)間計數器的信號輸入端，計數器開(kāi)始計數。同步門(mén)關(guān)閉時(shí)信號不能通過(guò)主門(mén)，計數器停止計數，單片機發(fā)出命令讀入計數器的數值，并進(jìn)行數據處理，將處理后的結果送顯示。
等精度頻率測量方法是采用多周期同步測量。如圖1的測量原理圖所示由單片機發(fā)出預置門(mén)控信號GATE，GATE的時(shí)間寬度對測頻精度影響較少，可以在較大的范圍內選擇，即在高頻段時(shí)，閘門(mén)時(shí)間較短；低頻時(shí)閘門(mén)時(shí)間較長(cháng)。實(shí)現了全范圍等精度測量，減少了低頻測量的誤差。
在同步門(mén)的控制下，一方面保證了被測信號和時(shí)基信號的同步測量；另一方面在同步門(mén)打開(kāi)后計數器并不是馬上計數，而是在被測信號的下一個(gè)上升沿開(kāi)始計數，同步門(mén)關(guān)閉后計數器也不是馬上停止計數，而是在被測信號的下一個(gè)上升沿停止計數。即在實(shí)際閘門(mén)時(shí)間計數，從而提高了測量精度。
由于采用D觸發(fā)器實(shí)現的同步門(mén)的同步作用，事件計數器所記錄的Nx值已不存在誤差的影響，但由于時(shí)鐘信號與閘門(mén)的開(kāi)和關(guān)無(wú)確定的相位關(guān)系，時(shí)間計數器所記錄的N0的值仍存在±1誤差的影響，只是由于時(shí)鐘頻率很高，誤差的影響很小。所以在全頻段的測量精度是均衡的,從而實(shí)現等精度頻率測量。
1．2 等精度頻率計計數測量誤差

2 等精度測頻的硬件電路設計及測量過(guò)程