高精度数显频率测量仪的方案设计

郑晖晖

摘 要随着科学技术和计算机技术的快速发展，频率的测量显得越来越重要，测量频率的精度也越来越高，而单片机体积小、可靠性高、价格便宜，被普遍的应用在控制领域中，鉴于以上原因，我们设计基于单片机的高精度频率测量仪，提出了该设计的任务与要求，基于任务与要求设计出方案一和方案二，并对这两种方案进行了论证比较，最终选择方案一作为设计方案。

【关键词】高精度 频率测量仪 设计方案

随着科学技术和计算机技术的快速发展，频率的测量显得越来越重要，例如：导弹发射、测量定位、天文等领域都要求完成对频率的测量。近年来，频率测量精度的要求越来越严格，而且必须要求越来越精确的时间、频率标准和测量技术。

在电子测量中，最基本的测量频率的方法有：计数法、测周法。伴随着科学技术和测量技术的快速发展，各种新的测量方法会不断显现出来。其中，最具代表性的有：多周期同步的频率测量方法、游标法和模拟内插法等。

1 频率测量仪的应用范围较为广泛

可以概括为以下4个方面 ：

（1）在传统的电子测量仪器中，是采用示波器来完成待测信号的频率测量，用示波器所测得的频率精度较低，且具有较大的误差。数字显示的频率测量仪可以准确地完成待测信号的频率测量，一方面具有良好的测量精度，另一方面具有较快的测量速度。综上所述，采用数字频率测试仪具有良好的测量精度、稳态误差小和测量速度快等特点。故频率计被广泛应用于电子测量仪器领域。

（2）在传统的生产制造企业中，也广泛的使用了频率测量仪。由于频率测量仪具有较快的测量速度，主要用来捕捉控制系统的晶体振荡器所输出的频率值。在生产制造业中，利用频率测量仪，能够及时发现控制系统晶体振荡器的工作状态，在一定程度上，提高了产品的生产质量。

（3）在脉冲信号的实验过程中，频率测量仪被广泛的应用在晶体振荡器的校准中。

（4）在无线通信领域中，频率测量仪主要应用在以下2方面：能够测量本地校准无线通信基站的工作时钟频率；可以调制信号，射频跳频信号的测量。

目前，频率测量一般选用了2种技术，即：

（1）“测量范围宽，多周期同步的方法，模拟和插值方法的基础和游标法。

（2）针对“频标”对比的各个技术，例如：比相法等。上述测量技术都具有良好的测量精度、误差小和较快的测量速度。

通常情况下，在单位时间的周期信号，也就是1秒内所变化的次数把他们叫频率。可以把它设定在固定的时间距离中，进行待测信号波形改变的次数，并能够通过显示部件显示计数的实际结果，来获得待测信号的频率值。

鉴于以上原因，我们设计基于单片机的高精度频率测量的仪器，它采用直接测量频率的方法。但对于低频段的测量，需要利用“测周法”来达到频率测量的目的，设计的任务与要求为：

（1）测量频率的范围：10HZ～10KHZ。

（2）输入的波形：能形成需要的频率脉冲的信号，输出的方波，矩形波，幅度是5V。

（3）测量误差≤1Hz。

2 方案设计

基于以上任务与要求设计出方案1和方案2：

方案1：该方案的核心控制模块为单片机，主要是利用单片机的定时器/计数器功能完成在单位时间内频率的计算工作，并利用信号整形和放大电路完成对待测信号的处理。所测得的频率值，通过LED显示器采用动态显示的方法显示出来。其设计方案是：信号放大电路→信号整形电路→单片机控制→数字显示电路。

方案2：这个的核心单元是数字器件，主要组成部件有：时基集成电路，逻辑控制的电路，信号扩大、整形的电路，计数的电路，锁存的电路，显示译码的

电路等。采用方案2的数字频率测量仪的原理图，如图1所示。

3 方案的论证

本文不仅对该方案进行了设计，并且对设计的方案进行论证。

方案1的论证：该方案的核心控制模块为单片机，主要是利用单片机的定时器/计数器功能完成在单位时间内频率的计算工作，并利用信号整形和放大电路完成对待测信号的处理。起初让被测的信号进入放大电路、经过整形电路，让所得到的脉冲信号送给单片机，单片机的定时器/计数器功能开动，来完成对待测信号的计数。利用软件编程，完成频率计数的显示工作。

方案2的论证：该策划重要组成部件有：时基集成电路，逻辑的控制电路，信号扩大、整形的电路，计数的电路，锁存的电路，和显示译码的电路等，核心单元是数字器件。具体的工作原理是：待测信号需要通过信号放大、信号整形电路进入闸门电路，在待测期间，只有利用时基集成电路所形成闸门的脉冲信号来打开主门后，经过整理后的输入信号才能顺利通过主门进入测量仪来实现计数工作。

4 方案的选择

如上所述，将方案1和方案2进行对比不难发现，方案2采用了较多的数字逻辑器件，电路连接繁琐，工作原理复杂，硬件调试麻烦。假设需要对频率较高的脉冲信号进行测量，需要外接分频电路，投入资金较多。而方案1的核心控制模块为是单片机，外接的元器件少，测量简单、程序编译调试方便。基于上述比较，本文选择方案1作为频率测量仪设计方案。

参考文献

[1]史坡，廉德宇，沈昱明等.一种精确频率测量仪设计[J].仪器仪表学报，2006，27（z2）：1532-1533

[2]何铮，周娜.智能家居基于 Cortex M3/M0的感知与控制子网设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2014（12）：25-27.

作者單位

无锡机电高等职业技术学校 江苏省无锡市 214000