【導(dǎo)讀】測量的數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì)。應(yīng)用單片機(jī)的控制功能和數(shù)學(xué)運(yùn)算能力，實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)功能和頻率、周期的換算。另外，文章對頻率測量過程中數(shù)據(jù)誤差的來源進(jìn)行了探討，提出了減小誤差的措施。最后，文章還對頻率計(jì)的設(shè)計(jì)方案提出了可擴(kuò)展的地方。頻率計(jì)作為一件很普通的電子器件，廣泛應(yīng)用于科研機(jī)構(gòu)、學(xué)校、實(shí)驗(yàn)室、企。業(yè)生產(chǎn)車間等場所。數(shù)字頻率計(jì)具有體積小、攜帶方便；功能完善、測量精度高等優(yōu)。計(jì)的設(shè)計(jì)和開發(fā)，有助于頻率計(jì)功能的不斷完善、性價比的提高和實(shí)用性的加強(qiáng)。面將從測量頻率的方法、現(xiàn)階段頻率計(jì)的種類和頻率計(jì)的發(fā)展趨勢三方面進(jìn)行論述。器顯示的單位時間內(nèi)通過被測信號的周期個數(shù)來實(shí)現(xiàn)頻率的測量[1]。脈沖數(shù)定時測頻法（M法）：記錄在確定時間里待測信號的脈沖個數(shù)。此法低頻檢測時精度高，但高頻檢測時誤差較大。信號脈沖間隔減小，間隔誤差降低；低頻測量精度比M法高A倍，但控制電路較復(fù)雜。

　　

【正文】 下一個顯示單元，直到所有位顯示完退出。 在通過軟件實(shí)現(xiàn)動態(tài)顯示的 時候，需要用到字型碼查表圖，現(xiàn)將表 43 列出下： 置段碼、位選碼初值 位選碼送 P2 口 段選碼送 P0 口 段選碼轉(zhuǎn)字型碼 延時 1ms 指向下一個顯示單元 位選碼左移 1 位 顯示完？ Y N 開 始 返 回 西南大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 27 表 43 七 段 LED 顯示器共陰極字型碼 Seven section of LED monitor mon cathode font code 顯示字符 g f e d c b a dp 字型碼 （共陰極） 0 0 1 1 1 1 1 1 0 3FH 1 0 0 0 0 1 1 0 0 06H 2 1 0 1 1 0 1 1 0 5BH 3 1 0 0 1 1 1 1 0 4FH 4 1 1 0 0 1 1 0 0 66H 5 1 1 0 1 1 0 1 0 6DH 6 1 1 1 1 1 0 1 0 7DH 7 0 0 0 0 1 1 1 0 07H 8 1 1 1 1 1 1 1 0 7FH 9 1 1 0 1 1 1 1 0 6FH A 1 1 1 0 1 1 1 0 77H B 1 1 1 1 1 0 0 0 7CH C 0 1 1 1 0 0 1 0 39H D 1 0 1 1 1 1 0 0 5EH E 1 1 1 1 0 0 1 0 79H F 1 1 1 0 0 0 1 0 71H . 0 0 0 0 0 0 0 1 80H 全亮 1 1 1 1 1 1 1 1 FFH 全滅 0 0 0 0 0 0 0 0 00H 5 硬件調(diào)試、測試數(shù)據(jù)分析及誤差來源討論 硬件調(diào)試 所用到的調(diào)試工具有 ： 萬用表、雙蹤示波器、外加電源裝置和頻率發(fā)生器等。 用萬用表對整個硬件電路的狀況進(jìn)行測試 。 將萬用表打到二極管檔 ， 檢測電路板上是否有不應(yīng)該連接 ， 但由于焊接不好或其他原因造成的連接了短路的線路。將萬用表打到 20V 直流電壓檔 ， 檢測各個模擬元件和數(shù)字芯片是否處于正常工作狀況。 雙蹤示波器用來顯示輸入脈沖信號和經(jīng)過變換、整形后脈 沖信號的波形形狀、頻率、周期、占空比、電壓值等參量。將示波器的一個端口接輸入的微弱脈沖信號，可西南大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 28 以是 正弦波 、方波、三角波等任意形狀 ， 另一端口接整形后的端口引腳 ， 通過示波器觀察電路是否具有放大和整形的作用。 外加電源用來為硬件電路提供穩(wěn)定、可靠的直流電壓。如果電壓不正確 ， 電路將無法正常工作；如果電壓不穩(wěn)定 ， 將影響測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。 頻率發(fā)生器主要用來檢測設(shè)計(jì)的電路測量出來的頻率值與實(shí)際的標(biāo)稱值之間的誤差大小。如果誤差太大 ， 就需要通過檢查電路的連接情況 ， 芯片質(zhì)量的好壞以及修改程序等方法來減小。 在實(shí)際的調(diào)試過程中 ， 遇到了如下一些問題： （ 1） CPU 芯片發(fā)熱。用萬用表檢查的結(jié)果是單片機(jī)出現(xiàn)了短路，去掉短路線后，單片機(jī)能正常工作。 （ 2） LED 顯示管顯示亂碼，而且不穩(wěn)定。通過檢查，排除了硬件連接有誤和電壓不穩(wěn)定的情況，最終的原因是在單片機(jī)的輸出 P0 口沒有接上拉電阻。接上后 ， 數(shù)碼管能夠正常顯示。 （ 3）頻率計(jì)測得的頻率值 與標(biāo)準(zhǔn)值之間有 大的 誤差。排除所有的硬件問題后，分析是軟件編程的原因。通過多次對程序中的 閘門開啟 時間進(jìn)行 調(diào)節(jié) ，結(jié)果能夠得到精度高、誤差小的頻率測量值。 最后，通過硬件調(diào)試使得硬件電路的各部 分正常工作，達(dá)到了調(diào)試的目的。 測試數(shù)據(jù) 分析 為了能夠更好地衡量設(shè)計(jì)的數(shù)字頻率計(jì)的工作情況和測量精度，我們將測得的頻率值與頻率發(fā)生器的準(zhǔn)確值作一個對比，以表格的形式表現(xiàn)出來，如表 51所示。 表 51 測試數(shù)據(jù) Test data 測量值（ KHZ） 實(shí)際值（ KHZ） 相差值（ KHZ） 相對誤差 % 平均相對誤差 % 通過 表格中的 數(shù)據(jù) ， 可以看出用單片機(jī) AT89C52制作的數(shù)字頻率計(jì) 測量值 與實(shí)際值 是 相 吻合 的 ， 平均 相對 誤差約在 %左右 。只要存在的誤差是在 設(shè)計(jì) 允許的范圍內(nèi) （ 0%～ 1%） ， 我們就認(rèn)為設(shè)計(jì)的頻率計(jì)在測量頻率上是準(zhǔn)確的。我們設(shè)計(jì)制作的頻率計(jì)能夠達(dá)到 這個 標(biāo)準(zhǔn) ，但也存在 一定的誤差， 特別是低頻段的誤差明顯要高于平均相對誤差， 可能的原因是低頻段采用測周期法時 ， 在頻率、周期轉(zhuǎn)換時導(dǎo)致了測量精西南大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 29 度的下降。 另外高頻段和低頻段的分界頻率點(diǎn)的誤差較大，所以恰當(dāng)選擇分界頻率點(diǎn)可以減小平均相對誤差。 下面 將對影響頻率測量的 各種 誤差進(jìn)行分析。 誤差來源討論 數(shù)字頻率計(jì)測量數(shù)據(jù)時 ， 由于各種原因 ， 不可避免地將產(chǎn)生誤差。誤差的大小將直接影響到產(chǎn)品性能的好壞 ， 因此最大限度地減小測量誤差是大多數(shù)數(shù)字測量儀器的目的 。 數(shù)字頻率計(jì) 測量的誤差由 計(jì)數(shù)誤差 （ 1? ） ， 時標(biāo)信號的誤差 （ 2? ） 和 被測信號噪聲引起的觸發(fā)誤差（ 3? ） 三部分組成 [13]， 即 321 ???? ??? （ 51） 下面我們將對 數(shù)字頻率計(jì) 測量頻率產(chǎn)生誤差的原因， 影響及減少測量誤差的措施加以分析。 計(jì)數(shù)誤差 （ 1） 產(chǎn)生計(jì)數(shù)誤差的原因 計(jì)數(shù)誤差也稱為 末位 讀數(shù)不確定度或量 化 誤差 ， 是所有數(shù)字化測量儀器都存在的誤差。對于頻率測量是由于被測信號 脈沖與門控脈沖間的相位是隨機(jī)的 以及 計(jì)數(shù)器不能 計(jì)出末位數(shù)字一個字以下的零頭數(shù)而產(chǎn)生的177。 1個字的誤差 [14]。如圖 51所示 。 圖 51 計(jì)數(shù)誤差示意圖 a—— 被計(jì)數(shù)的脈沖序列； b—— 閘門時間為τ的閘門信號； c—— 閘門時間為τ，但與 b的信號有初始相位的閘門信號。 Miscount schematic drawing a—— Pulse sequence which be counted； b—— Strobe signal that strobe time is τ； c—— Strobe signal that strobe time is τ， but has the initial phase with the b signal . 1 2 3 4 5 6 7 8 10 9 a b c ? ? 西南大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 30 在閘門時間τ內(nèi)有 ， 由于被測信號與門控信號 的 相位不同 ，計(jì)數(shù)時 可能 被 計(jì)成為 7（ 圖 51b的情況 ） ，也可能 被 計(jì)成為 8（ 圖 51c的情況 ） ，這樣就 產(chǎn)生177。1個字的計(jì)數(shù)誤差。 （ 2） 計(jì)數(shù)誤差 的影響 直接測頻時計(jì)數(shù)誤差對測頻的影響 數(shù)字頻率計(jì) 直接 測 頻時 ， 被測信號的頻率 0f 為 ?Nf ?0 （ 52） 計(jì)數(shù)誤差對測 頻誤差的影響可由對 （ 52） 式求 N 的微分得出 NdNfdfxx ?????????? 11? （ 53） 由產(chǎn)生計(jì)數(shù)誤差的原因可知， 對于 NdN 部分 ,無論閘門時間長短 ,計(jì)數(shù)法測頻總存在 1個單 位的量化誤差，即 計(jì)數(shù)誤差 dN 為177。 1， 所以 N11 ??? （ 54） 又因?yàn)??xfN? ， 所以 ?? xf11 ?? （ 55） 測周期時計(jì)數(shù)誤差對測頻的影響 用 數(shù)字頻率計(jì) 測周期法測頻時 ， 計(jì)數(shù)誤差 引起的測頻 誤差可通過對 公式NKfTfx x 01 ?? （ 56） 的微分 得到 ? ?? ?NNdNxf xdf 111 ????????????? （ 57） 又xfKfN 0? ，所以 Kffx01 ??? （ 58） NdN 為量化誤差。待測信號的周期測量值通過浮點(diǎn)數(shù)數(shù)學(xué)運(yùn)算變換成頻率值 ,這時的誤差來源于浮點(diǎn)數(shù)數(shù)學(xué)運(yùn)算和數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換所帶來的誤差 [15]。 西南大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 31 （ 2） 減少計(jì)數(shù)誤差 的措施 比較 （ 55） 式和 （ 58） 式可以看出， 數(shù)字頻率計(jì) 直接測頻時，計(jì)數(shù)誤差對測頻誤差 的影響隨被測信號頻率的降低而增大。但 數(shù)字頻率計(jì) 測周期時 ， 計(jì)數(shù)誤差對測頻誤差的影響卻隨被測信號頻率降低而減少 。 因此在測量中， 需準(zhǔn)確 設(shè)定 分界頻率 點(diǎn) 0xf ,當(dāng)被測信號頻率 0xx ff ? 時，以直接測頻為宜 ；當(dāng) 0xx ff ? 時， 則以測量周期為宜。在實(shí)際測量中 ， 增加顯示的有效數(shù)字位數(shù)可降低 計(jì)數(shù) 誤差 對直接測頻法和測周期法 的影響 [16]。 另外一種方法是 通過 全 同步 技術(shù)克服量化誤差。 兩個定時器 /計(jì)數(shù)器 T0、 T1分別對被測信號 xf 和時基信號 cf 進(jìn)行計(jì)數(shù) ， 當(dāng)同步控制器在單片機(jī)設(shè)定的時間內(nèi)檢測到xf 和 cf 同步時便產(chǎn)生閘門信號 ， 打 開單片機(jī)計(jì)數(shù)器閘門 ， 控制 T0、 T1開始計(jì)數(shù)。當(dāng)經(jīng)過一定時間再次檢測到 xf 和 cf 同步時 , 閘門信號關(guān)閉 , 計(jì)數(shù)器閘門關(guān)閉 。由于它們在時間上是完全同步的 ， 所以頻率的測量精度與待測信號的頻率無關(guān) ， 達(dá)到了減小計(jì)數(shù)誤差的作用 [17]。 時基誤差 通用計(jì)數(shù)器的時基都是一個石英晶體振蕩 器 。 而通過計(jì)數(shù)器直接測 頻時的閘門時間和測周期時的時標(biāo)脈沖都是由石英晶體振蕩器的輸出經(jīng)過分頻或倍頻得到的。因此 ， 測頻時的閘門時間誤差和測周期時的 時標(biāo)信號誤差就是時基誤差 ， 也就是計(jì)數(shù)器內(nèi)石英晶體振蕩器的頻率誤差。 （ 1） 石英晶體 振蕩器頻率誤差的產(chǎn)生 原因 石英晶體振蕩器產(chǎn)生頻率誤差 ， 主要是 由于 晶體振蕩器校準(zhǔn)的頻率準(zhǔn)確度 和 對 校準(zhǔn) 該 頻率準(zhǔn)確度的保持能力 兩項(xiàng)因素決定 [18]。 （ 2） 減少 時基誤差的措施 使用性能更好的外部頻率標(biāo)準(zhǔn) 用性能更好的外部頻率標(biāo)準(zhǔn)作為計(jì)數(shù)器的外頻標(biāo) ， 此時的時基誤差就 轉(zhuǎn)化為 外部頻率標(biāo) 準(zhǔn)的頻率誤差 了 ， 因此對測量儀器的影響就大大減小 。 使用前對石英晶體振蕩器進(jìn)行校準(zhǔn) 盡量減少石英晶體振蕩器的關(guān)機(jī)次數(shù) 重現(xiàn)性是造成時基誤差的重要 原因 。 減少石英晶體振蕩器的關(guān)機(jī)次數(shù)就可以 有效地 減少重現(xiàn)性 對測量頻率 造成的時基誤差 。 西南大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 32 觸發(fā)誤差 （ 1） 觸發(fā)誤差產(chǎn)生原因 通用計(jì)數(shù)器在測量周期時 ， 由于被測信號疊加有噪聲 ， 當(dāng)被測信號由施密特觸發(fā)器整形成方波 進(jìn)入下一級電路時 ， 信號上疊加的噪聲會使電路的觸發(fā)時刻提前或滯后，從而帶來測量誤差 [14]。此測量誤差即為觸發(fā)誤差。 （ 2） 減少觸發(fā)誤差的措施 若要減少觸發(fā)誤差只有兩個措施 ， 一個是提高被測信號的信號噪聲比 ， 這需保證硬件電路 受 外界 測量環(huán)境 和 條件的 影響小 。另一條措施是增加增加測量時間 。 6 擴(kuò)展 方面 硬件上的改進(jìn) 預(yù)處理電路部分 在實(shí)際工作中 ， 如若兩級 NPN 放大管仍不能使放大作用明顯 ， 則可以再級聯(lián)一個NPN 放大管 ； 或者采用放大能力更強(qiáng)的三極管 或 CMOS 管 代替。后一種思路雖然在價格上有所增加 ， 但卻減少了電路的復(fù)雜程度 ， 并且 在電路板一旦出現(xiàn)問題時 ， 能盡最大可能的減少元器件的更換 和連接線路的修改 ，非常方便 和實(shí)用 。 增加電源部分 在上面數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)工程中 ， 使用的是外部 干電池 電源對單片機(jī)和其他電路供電 ， 操作起來很方便 ， 但有一個缺點(diǎn)是外部提供的電源準(zhǔn)確度不是很高。比如 ， 單片機(jī)需 要提供 5V 的標(biāo)準(zhǔn)電壓，我們使用的干電池，由于使用時間過久或型號不同而使得提供的電壓達(dá)不到 5V或高于 5V， 這樣使得 電路不能在正常的狀態(tài)下工作或損壞元器件。因此在原理圖中，我們可以加入電源部分， 采用元件 7805 或 7809 和整流電路對外來 電壓進(jìn)行整流、限壓，提供標(biāo)準(zhǔn)的 5V 電壓給電路，這樣就增加了硬件電路的穩(wěn)定性和測試的準(zhǔn)確性。 功能上的 完善 增加鍵盤控制 通過按鍵實(shí)現(xiàn)數(shù)字頻率計(jì)的測頻率 ， 周期，占空比，脈寬等各項(xiàng)功能。比如：按下 1 鍵 ， 單片機(jī)的指令執(zhí)行測頻率的程序 ； 按下 2 鍵 ， 單片機(jī)指令接到測周期命 令后，中斷測頻率的 子 程序， 跳轉(zhuǎn)到 測周期的 子 程序 去響應(yīng) ， 實(shí)現(xiàn)周期的測量；同樣，按下3 鍵，可以去測量占空比；按下 4鍵 ， 可以去測量脈寬等等。當(dāng)按鍵非常少時 ， 可以西南大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）