【導讀】測量的數(shù)字頻率計設(shè)計。應用單片機的控制功能和數(shù)學運算能力，實現(xiàn)計數(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)誤差的來源進行了探討，提出了減小誤差的措施。最后，文章還對頻率計的設(shè)計方案提出了可擴展的地方。頻率計作為一件很普通的電子器件，廣泛應用于科研機構(gòu)、學校、實驗室、企。業(yè)生產(chǎn)車間等場所。數(shù)字頻率計具有體積小、攜帶方便；功能完善、測量精度高等優(yōu)。點，因此在以后的時間里，必將有著更加廣闊的發(fā)展空間和應用價值。計的設(shè)計和開發(fā)，有助于頻率計功能的不斷完善、性價比的提高和實用性的加強。面將從測量頻率的方法、現(xiàn)階段頻率計的種類和頻率計的發(fā)展趨勢三方面進行論述。器顯示的單位時間內(nèi)通過被測信號的周期個數(shù)來實現(xiàn)頻率的測量[1]。此法低頻檢測時精度高，但高頻檢測時誤差較大。別記錄待測信號的脈沖數(shù)M和標準信號的脈沖數(shù)。其特點是在測高頻

　　

【正文】 EH 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行測試 。 將萬用表打到二極管檔 ， 檢測電路板上是否有不應該連接 ， 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)的準確性。 頻率發(fā)生器主要用來檢測設(shè)計的電路測量出來的頻率值與實際的標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)果是單片機出現(xiàn)了短路，去掉短路線后，單片機能正常工作。 （ 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）頻率計測得的頻率值 與標準值之間有 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)計的數(shù)字頻率計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 AT89C52制作的數(shù)字頻率計 測量值 與實際值 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 允許的范圍內(nèi) （ 0%～ 1%） ， 我們就認為設(shè)計的頻率計在測量頻率上是準確的。我們設(shè)計制作的頻率計能夠達到 這個 標準 ，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)換時導致了測量精29 度的下降。 另外高頻段和低頻段的分界頻率點的誤差較大，所以恰當選擇分界頻率點可以減小平均相對誤差。 下面 將對影響頻率測量的 各種 誤差進行分析。 誤差來源討論 數(shù)字頻率計測量數(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 測量的誤差由 計數(shù)誤差 （ 1? ） ， 時標信號的 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 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。 計數(shù)誤差 （ 1） 產(chǎn)生計數(shù)誤差的原因 計數(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的 以及 計數(shù)器不能 計出末位數(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 計數(shù)誤差示意圖 a—— 被計數(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 ? ? 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 ，計數(shù)時 可能 被 計成為 7（ 圖 51b的情況 ） ，也可能 被 計成為 8（ 圖 51c的情況 ） ，這樣就 產(chǎn)生177。1個字的計數(shù)誤差。 （ 2） 計數(shù)誤差 的影響 直接測頻時計數(shù)誤差對測頻的影響 數(shù)字頻率計 直接 測 頻時 ， 被測信號的 頻率 0f 為 ?Nf ?0 （ 52） 計數(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)生計數(shù)誤差的原因可知， 對于 NdN 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，即 計數(shù)誤差 dN 為177。 1， 所以 N11 ??? （ 54） 又因為 ?xfN? ， 所以 ?? xf11 ?? （ 55） 測周期時計數(shù)誤差對測頻的影響 用 數(shù)字頻率計 測周期法 測頻時 ， 計數(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數(shù)數(shù)學運算變換成頻率值 ,這時的誤差來源于浮點數(shù)數(shù)學運算和數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換所帶來的誤差 [15]。 31 （ 2） 減少計數(shù)誤差 的措施 比較 （ 55） 式和 （ 58） 式可以看出， 數(shù)字頻率計 直接測頻時，計數(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 測周期時 ， 計數(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， 需準確 設(shè)定 分界頻率 點 0xf ,當被測信號頻率 0xx ff ? 時，以直接測頻為宜 ；當 0xx ff ? 時， 則以測量周期為宜。在實際測量中 ， 增加顯示的有效數(shù)字位數(shù)可降低 計數(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 /計數(shù)器 T0、 T1分別對被測信號 xf 和時基信號 cf 進行計數(shù) ， 當同步控制器在單片機設(shè)定的時間內(nèi)檢測到xf 和 cf 同步時便產(chǎn)生閘門信號 ， 打開單片機計數(shù)器閘門 ， 控制 T0、 T1開始計數(shù)。當經(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) ， 達到了減小計數(shù)誤差的作用 [17]。 時基誤差 通用計數(shù)器的時基都是一個石英晶體振蕩 器 。 而通過計數(shù)器直接測 頻時的閘門時間和測周期時的時標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信號誤差就是時基誤差 ， 也就是計數(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 晶體振蕩器校準的頻率準確度 和 對 校準 該 頻率準確度的保持能力 兩項因素決定 [18]。 （ 2） 減少 時基誤差的措施 使用性能更好的外部頻率標準 用性能更好的外部頻率標準作為計數(shù)器的外頻標 ， 此時的時基誤差就 轉(zhuǎn)化為 外部頻率標 準的頻率誤差 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行校準 盡量減少石英晶體 振蕩器的關(guān)機次數(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 。 32 觸發(fā)誤差 （ 1） 觸發(fā)誤差產(chǎn)生原因 通用計數(shù)器在測量周期時 ， 由于被測信號疊加有噪聲 ， 當被測信號由施密特觸發(fā)器整形成方波 進入下一級電路時 ， 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 擴展 方面 硬件上的改進 預處理電路部分 在實際工作中 ， 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 和實用 。 增加電源部分 在上面數(shù)字頻率計的設(shè)計工程中 ， 使用的是外部 干電池 電源對單片機和其他電路供電 ， 操作起來很方便 ， 但有一個缺點是 外部提供的電源準確度不是很高。比如 ， 單片機需要提供 5V 的標準電壓，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 電壓進行整流、限壓，提供標準的 5V 電壓給電路，這樣就增加了硬件電路的穩(wěn)定性和測試的準確性。 功能上的 完善 增加鍵盤控制 通過按鍵實現(xiàn)數(shù)字頻率計的測頻率 ， 周期，占空比，脈寬等各項功能。比如：按下 1 鍵 ， 單片機的指令執(zhí)行測 頻率的程序 ； 按下 2鍵 ， 單片機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 ， 實現(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。當按鍵非常少時 ， 可以33 采用獨立式鍵盤 ， 編程較簡單 ；當按鍵數(shù)量非常多時 ， 從考慮節(jié)約 IO口數(shù)目的角度，常采用矩陣式鍵盤。鍵盤的擴展是非常方便的。 實現(xiàn)自動量程轉(zhuǎn)換 在測量頻率時 ， 可以通過軟件編程 來 實現(xiàn) 頻率 測量量程的自動轉(zhuǎn)換 。 高頻段測量和低頻段測量 選擇不同的測量量程。 量程自動轉(zhuǎn)換的過程由頻率計測量量程的高端開始 [19]。 假設(shè)要 顯 示 2位有效數(shù)字 ， 在測量量程的高端計數(shù)閘門不需要太寬 ， 例如在～ 頻率范圍 ， 計數(shù)閘門寬度為 10ms即可 。 頻率計每個工作循環(huán)開始時使用計數(shù)方法實現(xiàn)頻率測量 ， 并使計數(shù)閘門寬度為最窄 ， 完成測量后判斷測量結(jié)果是否具有 2位有效數(shù)字 ， 如果成立 ， 將結(jié)果送去顯示 ， 本工作循環(huán)結(jié)束 ； 否則將計數(shù)閘門寬度 依次 擴大 10倍 ， 繼續(xù)進行測量判斷 ， 直到計數(shù)閘門寬度達到 1s， 這時對應的頻率測量范圍為 100Hz～ 999Hz。如果測量結(jié)果仍不具有 2位有效數(shù)字 ， 頻率計則使用定時方法實現(xiàn)頻率測量。定時方法測量的是待測信號的周期 ， 測量結(jié)果通過浮點數(shù)運算模塊將信號周期轉(zhuǎn)換成對應的頻率值 ， 再將結(jié)果送去顯示。無論采用何種方式 ， 只要完成一次測量即可 ， 頻率計自動 進行 下一個測量循環(huán)。因此該頻率計具有連續(xù)測量的功能 ， 同時實現(xiàn)量程的自動轉(zhuǎn)換 [20]。 液晶顯示器 （ LCD） 進行數(shù)據(jù)的顯示 采用 LED 顯示管只能顯示 0～ 9 和一些簡單的英文字母 ， 這使得頻率計的功能受到極大的限制 ， 而 LCD顯示管能夠解決 LED 的不足 ， 增強顯示功能。 LCD 具有體積小、低耗電量、無輻射危險，平面直角顯示以及影像穩(wěn)定不閃爍等優(yōu)勢