【文章內(nèi)容簡介】 三 單片機的測頻原理單片機應用系統(tǒng)中，經(jīng)常要對一個連續(xù)的脈沖波頻率進行測量。 在實際應用中，對于轉速，位移、速度、流量等物理量的測量，一般也是由傳感器轉換成脈沖電信號，采用測量頻率的手段實現(xiàn)。所謂“頻率”，就是周期性信號在單位時間（1s）內(nèi)變化的次數(shù)。若在一定時間間隔T內(nèi)測得這個周期性信號的重復變化次數(shù)N，則其頻率可表示為f=N/T。其中脈沖形成電路的作用是將被測信號變成脈沖信號，其重復頻率等于被測頻率fx。時間基準信號發(fā)生器提供標準的時間脈沖信號，若其周期為1s，則門控電路的輸出信號持續(xù)時間亦準確地等于1s。閘門電路由標準秒信號進行控制，當秒信號來到時，閘門開通，被測脈沖信號通過閘門送到計數(shù)譯碼顯示電路。秒信號結束時閘門關閉，計數(shù)器停止計數(shù)。由于計數(shù)器計得的脈沖數(shù)N是在1秒時間內(nèi)的累計數(shù)，所以被測頻率fx=NHz。圖1 頻率測量原理基本設計原理是直接用十進制數(shù)字顯示被測信號頻率的一種測量裝置。它以測量周期的方法對正弦波、方波、三角波的頻率進行自動的測量。使用單片機測量頻率或周期，通常是利用單片機的定時計數(shù)器來 完成的，測量的基本方法和原理有兩種：（一）測頻法：即單片機實現(xiàn)直接頻率測量方法可以把待測的頻率脈沖直接連接到單片機的T/C1端，將T/C0作為定時器，T/C1作為計數(shù)器。 T/C0定時時間里，對頻率脈沖進行計數(shù)，T/C1里的計數(shù)值便是單位定時時間里的脈沖個數(shù)，定時時間為1s時，即為待測頻率。由于定時時間內(nèi)可能會出現(xiàn)脈沖丟失，將降低測量精度。脈沖頻率越低，測量誤差越大。顯然對于較低頻率的脈沖不適合采用測量頻率法。（二）測周法：即頻率脈沖的周期測量法將外部輸入信號作為單片機的外部中斷的輸入，控制啟動定時/計數(shù)器開始定時，即對機器周期的內(nèi)部脈沖進行計數(shù)。待測信號一個周期的時間后，關閉定時/計數(shù)器，定時計數(shù)值便是周期時間的測量值。取倒數(shù)，即可求得頻率。周期測量法適用于對較低頻率的脈沖進行測量。這兩種方法盡管原理是相同的，但在實際使用時，需要根據(jù)待測 頻率的范圍、系統(tǒng)的時鐘周期、計數(shù)器的長度、以及所要求的測量精度等因素進行全面和具體的考慮，尋找和設計出適合具體要求的測量方法。在具體頻率的測量中，需要考慮和注意的因素有以下幾點。（1）系統(tǒng)的時鐘。首先測量頻率的系統(tǒng)時鐘本身精度要高，因為不管是限定測量時間還是測量限定脈沖個數(shù)的周期，其基本的時間基準是系統(tǒng)本身時鐘產(chǎn)生的。其次是系 統(tǒng)時鐘的頻率值，因為系統(tǒng)時鐘頻率越高，能夠實現(xiàn)頻率測量的精度也越高。因此使用AVR測量頻率時，建議使用由外部晶體組成的系統(tǒng)的振蕩電路，不使用其內(nèi) 部的RC振蕩源，同時盡量使用頻率比較高的系統(tǒng)時鐘。（2）所使用定時計數(shù)器的位數(shù)。測量頻率要使用定時計數(shù)器，定時計數(shù)器的位數(shù)越長，可以產(chǎn)生的限定時間越長，或在限定時間里記錄的脈沖個數(shù)越多，因此也提高了頻 率測量的精度。所以對頻率測量精度有一定要求時，盡量采用16位的定時計數(shù)器。（3）被測頻率的范圍。頻率測量需要根據(jù)被測頻率的范圍選擇測量的方式。當被測頻率的范圍比較低時，最好采用測周期的方法測量頻率。而被測頻率比較高時，使用測 頻法比較合適。需要注意的是，被測頻率的最高值一般不能超過測頻MCU系統(tǒng)時鐘頻率的1/2，因為當被測頻率高于MCU時鐘1/2后，MCU往往不能正確 檢測被測脈沖的電平變化了。除了以上三個因素外，還要考慮頻率測量的頻度（每秒內(nèi)測量的 次數(shù)），如何與系統(tǒng)中其它任務處理之間的協(xié)調(diào)工作等。頻率測量精度要求高時，還應該考慮其它中斷以及中斷響應時間的影響，甚至需要在軟件中考慮采用多次測 量取平均的算法等。綜上考慮以上兩種測量方法，當待測信號頻率較高時，使用直接測頻法可以滿足一定得精度要求；而當待測信號的頻率較低時，直接測頻法誤差會很大，周期測量法精度更高。綜合考慮本設計中采用測頻法。四 硬件電路的設計 系統(tǒng)硬件的構成本頻率計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要元器件是單片機AT89C52，由它完成對待測信號頻率的計數(shù)和結果顯示等功能，外部還要有分頻器、顯示器等器件?？煞譃橐韵聨讉€模塊：放大整形模塊、秒脈沖產(chǎn)生模塊、換檔模擬轉換模塊、單片機系統(tǒng)、六位七段數(shù)碼管。各模塊關系圖如圖2所示： 數(shù)字頻率計功能模塊 硬件電路設計流程圖　限幅放大及整形該部分電路的功能主要是完成對弱信號的放大和強信號的限幅處理,并將各種形式的被測模擬信號整形為適合單片機處理的數(shù)字脈沖信號。該放大電路為一寬帶放大器,在本設計中將ECL數(shù)字集成電路的線接收器用于系統(tǒng)的前置信號的放大處理電路,成功地解決了信號從0~30MHz寬帶線性不失真放大的技術難題,保證了信號頻率測量范圍的實現(xiàn)。 可編程分頻器該電路主要用來擴展測頻上限,擴大頻率測量范圍。從理論上來講,當單片機系統(tǒng)時鐘頻率為12MHz時,其內(nèi)部計數(shù)器的最大計數(shù)頻率為500 kHz?？紤]到信號的占空比等因素,實際測量的最高頻率低于500 kHz。為了保證測頻上限≥30 MHz,必須對高于500 kHz的信號進行分頻處理。系統(tǒng)在單片機的控制下,結合可編程分頻器電路,實現(xiàn)了測頻上限的擴展和測頻量程的自動轉換,提高了頻率計的實用價值和智能化程度。同步門邏輯控制電路由D觸發(fā)器構成(圖2),由它來產(chǎn)生同步門信號