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基于單片機89C51制作的頻率計的設計方法,

作者: 時間:2013-03-08 來源:網(wǎng)絡 收藏

  
  當上述測量判斷過程直到計數(shù)閘門寬度達到1 s(對應的頻率測量范圍為100~999 Hz)時測量結果仍不具有3位有效數(shù)字,則使用定時方法測量待測信號的周期。定時/計數(shù)器的工作被設置為定時器方式,定時/計數(shù)器的計數(shù)寄存器清0,在判斷待測信號的上跳沿到來后,運行控制位TR置為1,以工作周期為單位進行計數(shù),直至信號的下跳沿到來,運行控制位TR清0,停止計數(shù)。16位定時/計數(shù)器的最高計數(shù)值為65 535,當待測信號的頻率較低時,定時/計數(shù)器將發(fā)生溢出。產生溢出時,程序進入定時器中斷服務程序,對溢出次數(shù)進行計數(shù)。待測信號的周期由3個字節(jié)組成:定時/計數(shù)器溢出次數(shù)、定時/計數(shù)器的高8位和低8位。信號的頻率f與信號的周期T之間的關系為: f=1/T
  
  完成信號的周期測量后,需要做一次倒數(shù)運算才能獲得信號的頻率。為提高運算精度,采用浮點數(shù)算術運算。浮點數(shù)由3個字節(jié)組成:第1字節(jié)最高位為數(shù)符,其余7位為階碼;第2字節(jié)為尾數(shù)的高字節(jié);第3字節(jié)為尾數(shù)的低字節(jié)。待測信號周期的3個字節(jié)定點數(shù)通過截取高16位、設置數(shù)符和計算階碼轉換為上述格式的浮點數(shù)。然后浮點數(shù)算術運算對其進行處理,獲得用浮點數(shù)格式表達的信號頻率值。再通過浮點數(shù)到BCD碼轉換模塊把用浮點數(shù)格式表達的信號頻率值變換成本的顯示格式,送到顯示模塊顯示待測信號的頻率值。完成顯示后,都開始下一次信號的頻率測量。系統(tǒng)軟件流程圖如圖2所示。

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  系統(tǒng)軟件設計采用模塊化設計方法。整個系統(tǒng)由初始化模塊、顯示模塊和信號頻率頻率測量模塊等各種功能模塊組成。上電后,進入系統(tǒng)初始化模塊,系統(tǒng)軟件開始運行。在執(zhí)行過程中,根據(jù)運行流程分別調用各個功能模塊完成頻率測量、量程自動切換、周期測量和測量結果顯示。

5 實測結果和誤差分析
  
  為了衡量這次設計的頻率計的工作情況和測量精度,我們對系統(tǒng)進行了試驗。以南京電訊儀器廠制造的E312B型通用計數(shù)器為基準,用這次設計的頻率計對信號源進行了測量,測量數(shù)據(jù)如表1所示。
  
  如圖1信號預處理電路所示,待測信號在進入之前經(jīng)過了10×2次分頻。頻率計以進入時的信號頻率=100 Hz為基準(即待測信號頻率為2 kHz),大于此頻率采用頻率測量,小于此頻率采用周期測量。由表1頻率測量對比表可以看出,頻率測量的測量精度大于周期測量的測量精度。

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  采用計數(shù)法實現(xiàn)頻率測量,誤差來源主要有計數(shù)誤差和閘門誤差2部分。誤差表達式為:

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其中:N為計數(shù)值,t為閘門時間。

  閘門時間相對誤差dt/t主要取決于單片機晶振的頻率穩(wěn)定度,選擇合適的石英晶體和振蕩電路,誤差一般可<10-6。當僅顯示3位有效數(shù)字時,該項誤差可以忽略。對于dN/N部分,無論閘門時間長短,計數(shù)法測頻總存在1個單位的量化誤差。在表1中,待測信號頻率>2 kHz時的誤差就來源于計數(shù)誤差。增加顯示的有效數(shù)字位數(shù)可降低該項誤差的影響。
  
  當待測信號頻率<2 kHz時,直接測量的是信號的周期。周期測量的誤差表達式為:

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其中:dN/N為量化誤差,dτ0/τ0為單片機晶振的頻率穩(wěn)定度。
  
  進行周期測量時進入單片機的信號頻率<100 Hz,使用12 MHz時鐘時的最小計數(shù)值為10 000。當僅顯示3位有效數(shù)字時,該項誤差現(xiàn)在也可以忽略。待測信號的周期測量值通過浮點數(shù)運算變換成頻率值,這時的誤差來源于浮點數(shù)運算和數(shù)制轉換所帶來的誤差。

6 結 語
  
  介紹了一種基于單片機制作的頻率計的設計方法,所制作的頻率計需要外圍器件較少,適宜用于嵌入式系統(tǒng)。該頻率計應用周期測量和相應的數(shù)學處理實現(xiàn)低頻段的頻率測量,因此很容易擴展實現(xiàn)信號的周期測量和占空比測量。該頻率計被應用于筆者設計的“高頻實驗裝置”之中,用來對LC振蕩器和RC振蕩器輸出信號的頻率穩(wěn)定度進行測量,取得良好的應用效果。

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關鍵詞: 單片機 89C51 頻率計

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