【導(dǎo)讀】測(cè)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(duì)頻率測(cè)量過(guò)程中數(shù)據(jù)誤差的來(lái)源進(jìn)行了探討，提出了減小誤差的措施。最后，文章還對(duì)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(chǎng)所。數(shù)字頻率計(jì)具有體積小、攜帶方便；功能完善、測(cè)量精度高等優(yōu)。點(diǎn)，因此在以后的時(shí)間里，必將有著更加廣闊的發(fā)展空間和應(yīng)用價(jià)值。計(jì)的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，有助于頻率計(jì)功能的不斷完善、性價(jià)比的提高和實(shí)用性的加強(qiáng)。面將從測(cè)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(shì)三方面進(jìn)行論述。器顯示的單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)被測(cè)信號(hào)的周期個(gè)數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)頻率的測(cè)量[1]。此法低頻檢測(cè)時(shí)精度高，但高頻檢測(cè)時(shí)誤差較大。別記錄待測(cè)信號(hào)的脈沖數(shù)M和標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的脈沖數(shù)。其特點(diǎn)是在測(cè)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(cè)試數(shù)據(jù)分析及誤差來(lái)源討論 硬件調(diào)試 所用到的調(diào)試工具有 ： 萬(wàn)用表、雙蹤示波器、外加電源裝置和頻率發(fā)生器等。 用萬(wàn)用表對(duì)整個(gè)硬件電路的狀況進(jìn)行測(cè)試 。 將萬(wàn)用表打到二極管檔 ， 檢測(cè)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(wàn)用表打到 20V 直流電壓檔 ， 檢測(cè)各個(gè)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(lái)顯示輸入脈沖信號(hào)和經(jīng)過(guò)變換、整形后脈沖信號(hào)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(gè)端口接輸入的微弱脈沖信號(hào)，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(guò)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(lái)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(wú)法正常工作；如果電壓不穩(wěn)定 ， 將影響測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。 頻率發(fā)生器主要用來(lái)檢測(cè)設(shè)計(jì)的電路測(cè)量出來(lái)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(guò)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(lái)減小。 在實(shí)際的調(diào)試過(guò)程中 ， 遇到了如下一些問(wèn)題： （ 1） CPU 芯片發(fā)熱。用萬(wàn)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(guò)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(méi)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(cè)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(wèn)題后，分析是軟件編程的原因。通過(guò)多次對(duì)程序中的 閘門開(kāi)啟 時(shí)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(cè) 量值。 最后，通過(guò)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(cè)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(cè)量精度，我們將測(cè)得的頻率值與頻率發(fā)生器的準(zhǔn)確值作一個(gè)對(duì)比，以表格的形式表現(xiàn)出來(lái)，如表 51所示。 表 51 測(cè)試數(shù)據(jù) Test data 測(cè)量值（ KHZ） 實(shí)際值（ KHZ） 相差值（ KHZ） 相對(duì)誤差 % 平均相對(duì)誤差 % 通過(guò) 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(cè)量值 與實(shí)際值 是 相 吻合 的 ， 平均 相對(duì) 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(cè)量頻率上是準(zhǔn)確的。我們?cè)O(shè)計(jì)制作的頻率計(jì)能夠達(dá)到 這個(gè) 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(duì)誤差，可能的原因是低頻段采用測(cè)周期法時(shí) ， 在頻率、周期轉(zhuǎn)換時(shí)導(dǎo)致了測(cè)量精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(duì)誤差。 下面 將對(duì)影響頻率測(cè)量的 各種 誤差進(jìn)行分析。 誤差來(lái)源討論 數(shù)字頻率計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí) ， 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(cè)量誤差是大多數(shù)數(shù)字測(cè)量?jī)x器的目的 。 數(shù)字頻率計(jì) 測(cè)量的誤差由 計(jì)數(shù)誤差 （ 1? ） ， 時(shí)標(biāo)信號(hào)的 誤差 （ 2? ） 和 被測(cè)信號(hào)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(duì) 數(shù)字頻率計(jì) 測(cè)量頻率產(chǎn)生誤差的原因， 影響及減少測(cè)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(cè)量 儀器都存在的誤差。對(duì)于頻率測(cè)量是由于被測(cè)信號(hào)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(gè)字以下的零頭數(shù)而產(chǎn)生的177。 1個(gè)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(shí)間為τ的閘門信號(hào)； c—— 閘門時(shí)間為τ，但與 b的信號(hào)有初始相位的閘門信號(hào)。 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(shí)間τ內(nèi)有 ， 由于被測(cè)信號(hào)與門控信號(hào) 的 相位不同 ，計(jì)數(shù)時(shí) 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(gè)字的計(jì)數(shù)誤差。 （ 2） 計(jì)數(shù)誤差 的影響 直接測(cè)頻時(shí)計(jì)數(shù)誤差對(duì)測(cè)頻的影響 數(shù)字頻率計(jì) 直接 測(cè) 頻時(shí) ， 被測(cè)信號(hào)的 頻率 0f 為 ?Nf ?0 （ 52） 計(jì)數(shù)誤差對(duì)測(cè) 頻誤差的影響可由對(duì) （ 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(duì)于 NdN 部 分 ,無(wú)論閘門時(shí)間長(zhǎng)短 ,計(jì)數(shù)法測(cè)頻總存在 1個(gè)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(cè)周期時(shí)計(jì)數(shù)誤差對(duì)測(cè)頻的影響 用 數(shù)字頻率計(jì) 測(cè)周期法 測(cè)頻時(shí) ， 計(jì)數(shù)誤差 引起的測(cè)頻 誤差可通過(guò)對(duì) 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(cè)信號(hào)的周期測(cè)量值通過(guò)浮點(diǎn)數(shù)數(shù)學(xué)運(yùn)算變換成頻率值 ,這時(shí)的誤差來(lái)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(lái)的誤差 [15]。 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(cè)頻時(shí)，計(jì)數(shù)誤差對(duì)測(cè)頻誤差 的影響隨被測(cè)信號(hào)頻率的降低而增大。但 數(shù)字頻率計(jì) 測(cè)周期時(shí) ， 計(jì)數(shù)誤差對(duì)測(cè)頻誤差的影響卻隨被測(cè)信號(hào)頻率降低而減少 。 因此在測(cè)量中， 需準(zhǔn)確 設(shè)定 分界頻率 點(diǎn) 0xf ,當(dāng)被測(cè)信號(hào)頻率 0xx ff ? 時(shí)，以直接測(cè)頻為宜 ；當(dāng) 0xx ff ? 時(shí)， 則以測(cè)量周期為宜。在實(shí)際測(cè)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(duì)直接測(cè)頻法和測(cè)周期法 的影響 [16]。 另外一種方法是 通過(guò) 全 同步 技術(shù)克服量化誤差。 兩個(gè)定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 T0、 T1分別對(duì)被測(cè)信號(hào) xf 和時(shí)基信號(hào) 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(shí)間內(nèi)檢測(cè)到xf 和 cf 同步時(shí)便產(chǎn)生閘門信號(hào) ， 打開(kāi)單片機(jī)計(jì)數(shù)器閘門 ， 控制 T0、 T1開(kāi)始計(jì)數(shù)。當(dāng)經(jīng)過(guò)一定時(shí)間再次檢測(cè)到 xf 和 cf 同步時(shí) , 閘門信號(hào)關(guān)閉 , 計(jì)數(shù)器閘門關(guān)閉 。由于它們?cè)跁r(shí)間上是完全同步的 ， 所以頻率的測(cè)量精度與待測(cè)信號(hào)的頻率無(wú)關(guān) ， 達(dá)到了減小計(jì)數(shù)誤差的作用 [17]。 時(shí)基誤差 通用計(jì)數(shù)器的時(shí)基都是一個(gè)石英晶體振蕩 器 。 而通過(guò)計(jì)數(shù)器直接測(cè) 頻時(shí)的閘門時(shí)間和測(cè)周期時(shí)的時(shí)標(biāo)脈沖都是由石英晶體振蕩器的輸出經(jīng)過(guò)分頻或倍頻得 到的。因此 ， 測(cè)頻時(shí)的閘門時(shí)間誤差和測(cè)周期時(shí)的時(shí)標(biāo)信號(hào)誤差就是時(shí)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(duì) 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(shí)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(shí)的時(shí)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(duì)測(cè)量?jī)x器的影響就大大減小 。 使用前對(duì)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(shí)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(duì)測(cè)量頻率 造成的時(shí)基誤差 。 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(cè)量周期時(shí) ， 由于被測(cè)信號(hào)疊加有噪聲 ， 當(dāng)被測(cè)信號(hào)由施密特觸發(fā)器整形成方波 進(jìn)入下一級(jí)電路時(shí) ， 信號(hào)上疊加的噪聲會(huì)使電路的觸發(fā)時(shí)刻提前或滯后，從而帶來(lái)測(cè)量誤差 [14]。此測(cè)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(gè)措施 ， 一個(gè)是提高被測(cè)信號(hào)的信號(hào)噪聲比 ， 這需保證硬件電路 受 外界 測(cè)量環(huán)境 和 條件的 影響小 。另 一條措施是增加增加測(cè)量時(shí)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(jí) NPN 放大管仍不能使放大作用明顯 ， 則可以再級(jí)聯(lián)一個(gè)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(jià)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(wèn)題時(shí) ， 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(duì)單片機(jī)和其他電路供電 ， 操作起來(lái)很方便 ， 但有一個(gè)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(shí)間過(guò)久或型號(hào)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(duì)外來(lái) 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(cè)試的準(zhǔn)確性。 功能上的 完善 增加鍵盤控制 通過(guò)按鍵實(shí)現(xiàn)數(shù)字頻率計(jì)的測(cè)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(cè) 頻率的程序 ； 按下 2鍵 ， 單片機(jī)指令接到測(cè)周期命令后，中斷測(cè)頻率的 子 程序， 跳轉(zhuǎn)到 測(cè)周期的 子 程序 去響應(yīng) ， 實(shí)現(xiàn)周期的測(cè)量；同樣，按下3鍵，可以去測(cè)量占空比；按下 4 鍵 ， 可以去測(cè)量脈寬等等。當(dāng)按鍵非常少時(shí) ， 可以33 采用獨(dú)立式鍵盤 ， 編程較簡(jiǎn)單 ；當(dāng)按鍵數(shù)量非常多時(shí) ， 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(kuò)展是非常方便的。 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換 在測(cè)量頻率時(shí) ， 可以通過(guò)軟件編程 來(lái) 實(shí)現(xiàn) 頻率 測(cè)量量程的自動(dòng)轉(zhuǎn)換 。 高頻段測(cè)量和低頻段測(cè)量 選擇不同的測(cè)量量程。 量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換的過(guò)程由頻率計(jì)測(cè)量量程的高端開(kāi)始 [19]。 假設(shè)要 顯 示 2位有效數(shù)字 ， 在測(cè)量量程的高端計(jì)數(shù)閘門不需要太寬 ， 例如在～ 頻率范圍 ， 計(jì)數(shù)閘門寬度為 10ms即可 。 頻率計(jì)每個(gè)工作循環(huán)開(kāi)始時(shí)使用計(jì)數(shù)方法實(shí)現(xiàn)頻率測(cè)量 ， 并使計(jì)數(shù)閘門寬度為最窄 ， 完成測(cè)量后判斷測(cè)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(jì)數(shù)閘門寬度 依次 擴(kuò)大 10倍 ， 繼續(xù)進(jìn)行測(cè)量判斷 ， 直到計(jì)數(shù)閘門寬度達(dá)到 1s， 這時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率測(cè)量范圍為 100Hz～ 999Hz。如果測(cè)量結(jié)果仍不具有 2位有效數(shù)字 ， 頻率計(jì)則使用定時(shí)方法實(shí)現(xiàn)頻率測(cè)量。定時(shí)方法測(cè)量的是待測(cè)信號(hào)的周期 ， 測(cè)量結(jié)果通過(guò)浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算模塊將信號(hào)周期轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的頻率值 ， 再將結(jié)果送去顯示。無(wú)論采用何種方式 ， 只要完成一次測(cè)量即可 ， 頻率計(jì)自動(dòng) 進(jìn)行 下一個(gè)測(cè)量循環(huán)。因此該頻率計(jì)具有連續(xù)測(cè)量的功能 ， 同時(shí)實(shí)現(xiàn)量程的自動(dòng)轉(zhuǎn)換 [20]。 液晶顯示器 （ LCD） 進(jìn)行數(shù)據(jù)的顯示 采用 LED 顯示管只能顯示 0～ 9 和一些簡(jiǎn)單的英文字母 ， 這使得頻率計(jì)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(qiáng)顯示功能。 LCD 具有體積小、低耗電量、無(wú)輻射危險(xiǎn)，平面直角顯示以及影像穩(wěn)定不閃爍等優(yōu)勢(shì)