基于单片机的频率的几种测量方法

柯龙章，杨宇卿

（鄂东职业技术学院，湖北 黄冈 438000）

频率测量是电子测量领域中最基本的测量之一。传统的采用中小规模数字电路构成的测频仪器，一般说来体积大，精度低，而高精度的专业频率计，则计数实施方案复杂，价格昂贵。由于单片机具有控制和数据处理能力。因此用它构成的测频仪器不但运算方便而且可以大大简化传统的硬件电路。

当前电子测量领域中频率的测量方法众多，使用最广泛的就是传统的直接测频法和测周法。随着现代单片机技术的发展，各种测量方法均可由单片机实现，而其中等精度测频法是现代频率测量方法中最先进的测量方法。它应用广泛，设计简单，便于操作，已得到广泛的应用。

1 频率测量概述

在我们的生活中，周期性现象十分普遍，如各种周而复始的旋转运动，往复运动，各种传感器和测量电路变换后的周期性脉冲等。周期性过程重复出现一次所需要的时间称为“周期”，记为T（单位是s）；单位时间内周期性过程重复出现的次数称为“频率”，记为f（单位是Hz）。周期与频率互为倒数关系

f=1/T

因此，f和T只要测出其中一个，便可取倒数而求得另一个。

频率的测量方法可分为模拟法和记数法两类。记数法具有测量精度高、速度快、操作简便、直接显示数字、便于与微机结合实现测量过程自动化等一体化等突出优点，是目前最好的测频方法，而模拟法因为简单经济，有些场合仍然采用。

2 直接方式测频

直接方式测频的一般原理框图如图1所示。它是利用计数器在闸门G开启期间对输入信号的周信号的频率可表示为：

fx=N/Tg

式中，闸门时间宽度Tg由晶体振荡器产生的标准频率f0经过n级10分频得到，即

图1 直接方式测频原理框图

可见实现直接记数法必须具备两个硬件条件：①控制闸门关闭的定时电路。②对被测信号变化次数记数的计数器。充分利用8031内部2个16位定时/计数器就能满足上述条件，将其中一个作为定时器控制闸门时间T，一个作为计数器用。对fx的变化次数直接记数得到N，便可求出被测频率fx。

由于闸门时间是固定的，所以对于任意的fx却不能保证在Tg时间内正好有N个Tx，因此会产生最大±1个Tx的量化误差dN。这样，可得到直接方式测频的相对误差为：

fx=dN/N+（df0/f0）

其中df0/f0为晶体振荡器的频率准确度，通常可达10-6～10-8；dN/N为计数值的相对误差。当输入信号频率fx很低时，由于闸门时间有限而测得的N很小，因此，使得测频误差相应增大，测量精度也随之降低。直接记数法仅适用于高频测量。

3 周期法测频

为了减小测量低频时的±1误差，提高测量准确度，可以采用周期测频法。即将被测信号一个周期的时间作为闸门时间，对时钟脉冲进行记数。其原理图如图2所示。

图2 周期法测频原理图

同样实现该方法必须具备两个条件：①具有使闸门时间等于被测信号一个周期的时间控制电路。②具有对时钟信号变化次数进行记数的计数器。用单片机实现周期法测频不需要任何附加电路，只要使单片机的一个定时/计数器工作在定时方式，此时该定时器对单片机的标准机器周期TC进行记数。同时将fx引入P3口的一条信号线，编程监控该信号线的状态。使定时器的定时时间等于被测信号一个周期的时间即可。

由Tx=NTc误差传递公式得：

因为

显然在fx一定时，Tx越大，±1误差越小，所以周期测频法适用于低频测量。

4 等精度测频

等精度数字测频的基本框图如图3所示。图中的闸门G1、G2分别用来控制输入信号周期计数和闸门时间宽度计时。其中，闸门G1与输入信号同步，这样可使计数器N1的量化误差dN1=0。计数器N2对标准时标信号周期Tc进行计数，并以此来测量闸门宽度Tg。其输入信号频率可表示为：

fx=N1/Tg=N1/（TcN2）

标准时标信号也由晶体振荡器产生，它具有足够的周期稳定度，可看作常数。因此，fx的相对误差为：

其中dN2为计数器N2产生的量化误差，最大为±1个Tc。在实际设计中，选择适当的时标周期Tc和闸门宽度Tg可使N2始终足够大，并在fx的全频段范围内得到足够多的有效位数的显示结果。

图3 等精度测频基本框图

5 等精度频率测量方法的单片机实现

利用AT89S51系列的单机外部中断INT0作为测试信号输入口，P1口通过UN2803驱动段码，P2.0-P2.5控制位码。

电路如图4所示。利用单片机中T0、T1两个定时/计数器分别对被测信号和标准时标进行同步计数，当被测信号为Nx个周期后，读出标准时标计数器中的值Ns，则输入信号频率可表示为：

fx=Nx/Ts

Ts为标准时标周期，对于12MHz的晶振单片机，TS=fosc/12=1μS，它具有足够的稳定度，可视为常数。因此，fx的相对误差为：dfx/fx=dNx/Nx-dNs/Ns，当计数器T1为Nx（传统测频方式Nx只能等于1）个完整周期时产生中断，这时，dNX=0，有dfx/fx=-dNs/Ns，因此，实际运用中，利用AT89S51单片机丰富的内部资源，通过软件设计，当计数器T0产生溢出时，请求T1计数器中断，这样就能保证比传统测频精度高许多。

图4 电路结构图

6 结语

以上几种测量方法中，等精度频率测量精度最高，它在整个被测频率范围内都能达到相同的测量精度，而与被测信号频率大小无关。虽然它的测量控制相对比较复杂，但如果在单片机控制测量系统中合理地使用中断、定时计数器，以及正确准时读出计数器的值，那么就可以在不增加控制器件的情况下实现较高精度的等精度频率测量。

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