利用單片機測頻率信號的參數分析

1．引言

無(wú)論何種類(lèi)型的信號，連續的或離散的，有規律的或無(wú)規律的，對計算機控制系統而言，首先得通過(guò)前向通道的調理，使信號能夠被機器所檢測：高低電平的范圍，時(shí)序的配合、是否需要鎖存、是否需要分頻等等。

測速、測V/I、測相位等一般都要用到頻率信號，特別是在工業(yè)控制中。很多變送器如電壓、電量變速器，功率、行程變速器等都有頻率信號或者說(shuō)脈沖信號的輸出。 頻率信號抗干擾性能好，適于遠距離傳送，并且頻率信號所需的接口簡(jiǎn)單，占用資源少，一般它只占用一路計數器接口直接進(jìn)行計數或一個(gè)中斷源輸入接口，在中斷服務(wù)程序中對脈沖進(jìn)行計數，當然也可利用外部計數裝置輸入若干路通用I/O接口中。

總之頻率信號的測量具有靈活的輸入方式，對頻率信號的各種參數的測量有重要的意義。頻率參數主要包括周期、高低電平的持續時(shí)間以及占空比。

2．周期的測量

因為 周期＝脈沖數/時(shí)間 ，為了計算出單位時(shí)間的脈沖數，首先要有一個(gè)時(shí)間基準。如果用單片機的定時(shí)器進(jìn)行定時(shí)則直接接入單片機內的信號的最高頻率取決于晶振頻率，由于所測信號的每一個(gè)脈沖的高低電平要持續至少一個(gè)機器周期，即它的周期不得高于2倍的機器周期；另一方面，一個(gè)機器周期等于6個(gè)狀態(tài)周期，一個(gè)狀態(tài)周期等于2個(gè)晶振周期。 故有： T待測=24*T晶振。

2.1低頻信號周期的測量 接線(xiàn)示意圖如圖1，前端屬于信號調理電路，工作原理是：用一個(gè)計數器，一個(gè)定時(shí)器，在設定的時(shí)間內對脈沖數進(jìn)行累加；另一方法是一個(gè)定時(shí)器一個(gè)中斷口，中斷為下降沿觸發(fā)，在中斷程序中計數。

很明顯，上述方法所得計數值會(huì )受到定時(shí)誤差的影響；在精度要求高的場(chǎng)合可以用外接精密脈沖源的方法來(lái)規避此誤差。即：使用外部脈沖進(jìn)行比較計數時(shí)沒(méi)有定時(shí)原因造成的誤差。如圖2。此時(shí)會(huì )有如下的關(guān)系式： F待測*COUNT標準=F標準 *CONNT待測

2.2 高頻信號周期的測量，圖3是一個(gè)典型的電路

這個(gè)電路中各部分的功能說(shuō)明如下：

AD9686：將非TTL電平信號轉變?yōu)門(mén)TL電平,屬于前向調理電路。

累加器是二進(jìn)制計數器，目的是對信號進(jìn)行分頻，MR為清零端。此處用了兩種不同性能的計數器，即74LS197和74LS93。其中LS197是四位二進(jìn)制計數器，最高計數頻率100MHz，它可以進(jìn)行16分頻，如果根據單片機的主頻計算分頻后的頻率仍然高于可測頻則需繼續分頻，當然對后面的分頻芯片的最高工作頻率的要求可以降低。各管腳的輸出為：

74LS197的輸出： 74LS93的輸出：
Q1:Fin的2分頻 Q2:Fin的4分頻 Q1:Fin的32分頻 Q2:Fin的64分頻
Q3:Fin的8分頻 Q1:Fin的16分頻 Q3:Fin的128分頻 Q1:Fin的256分頻

本電路采用硬件控制方式，門(mén)控位置”1”時(shí)，74LS00打開(kāi)，待測脈沖與基準脈沖同時(shí)進(jìn)入外部硬件計數器計數，延時(shí)一定時(shí)間后，門(mén)控位置0，停止計數，根據此時(shí)的計數值我們有如下關(guān)系式： COUNT待測/F待測＝COUNT基準/F基準根據需要可只將相應的分頻管腳接入單片機內計數，也可采用I/O口全部讀入各位分頻腳的方法，由電路的結構，我們知道此電路有模塊化的優(yōu)點(diǎn)。

3 脈沖高電平持續時(shí)間的測量

3.1當脈沖頻率較高，每周期高電平時(shí)間較短，為了保證精度，需對N次高電平的時(shí)間值進(jìn)行平均。接線(xiàn)和流程示意圖如下：

3.2當脈沖頻率較低時(shí)，意味著(zhù)高電平持續時(shí)間較長(cháng)，此時(shí)可用T0或T1的門(mén)控方式直接計數，為了防止從圖5中的B點(diǎn)開(kāi)始計數，此時(shí)有兩種方法來(lái)減少誤差：利用軟件的方法：將待測信號經(jīng)過(guò)一個(gè)非門(mén)接入中斷口，在中斷程序中同時(shí)打開(kāi)門(mén)控方式的定時(shí)，從而保證了從脈沖的上升沿開(kāi)始計數；也可用硬件方法確保從A點(diǎn)開(kāi)始，這種方法說(shuō)明如下，采用圖6的JK觸發(fā)器電路，當Fin的下降沿到來(lái)時(shí)，C點(diǎn)電位為高，送入INT0的為低電位。

上述方法如果高電平時(shí)間超過(guò)了65535個(gè)計數值，則應對TF0標識進(jìn)行判別來(lái)擴大計數量程。

很顯然，只要脈沖信號取反輸入，我們就能得到其低電平持續時(shí)間的測量方法，此不多述。

4 8098系列單片機的應用

利用定時(shí)器計數，測脈沖的寬度。這種方法和上面的相似：通過(guò)檢測引腳的上跳變開(kāi)中斷，同時(shí)記錄該時(shí)刻值T1，通過(guò)檢測引腳的下跳變關(guān)中斷，記錄該時(shí)刻的時(shí)刻值T2，T2 減 T1加上中斷記錄的中斷次數對應的時(shí)間就等于一個(gè)周期內高電平的持續時(shí)間。

有特色的是使用8098中的HSI部件（高速輸入通道）。通過(guò)引腳輸入脈沖信號，同時(shí)可以以四種工作方式：正跳變、負跳變、正負均跳變、每8個(gè)正跳變觸發(fā)一次的方法記錄事件發(fā)生的時(shí)刻，而不占用CPU的時(shí)間。由于事件發(fā)生的時(shí)間以定時(shí)器T1作為時(shí)間基準，T1又是每8個(gè)狀態(tài)計數一次，每個(gè)狀態(tài)周期是晶振周期的3分頻，所以正負電平持續的時(shí)間均應大于12倍的晶振周期。當頻率過(guò)高時(shí)可以8分頻測頻，頻率可以直接測量時(shí)可用兩個(gè)HIS引腳輸入同一信號，分別記錄正跳變、負跳變時(shí)刻以及周期個(gè)數從而算出脈沖周期、正電平時(shí)間、負電平時(shí)間，進(jìn)一步算出占空比。

5 結論

用單片機測頻，關(guān)鍵在于分頻、同步、計數量程這幾點(diǎn)；前述的方法，計數口和外部中斷口可互換使用，只是計數的實(shí)現不同，這要求輸入的方式做響應的變化；測出了脈沖信號的高低電位時(shí)間就可以利用單片機的運算功能測占空比。