基于單片機(jī)的等精度頻率計(jì)設(shè)計(jì)

0 引言
隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，特別是單片微機(jī)的出現(xiàn)和發(fā)展，使傳統(tǒng)的電子測(cè)量?jī)x器在原理、功能、精度及自動(dòng)化水平等方面都發(fā)生了巨大的變化，形成一種完全突破傳統(tǒng)概念的新一代測(cè)量?jī)x器。頻率計(jì)廣泛采用了高速集成電路和大規(guī)模集成電路，使儀器在小型化、耗電、可靠性等方面都發(fā)生了重大的變化。傳統(tǒng)的頻率計(jì)測(cè)量誤差較大，等精度頻率計(jì)以其測(cè)量準(zhǔn)確、精度高、方便等優(yōu)勢(shì)將得到廣泛的應(yīng)用。
傳統(tǒng)的測(cè)頻方法有直接測(cè)頻法和測(cè)周法[1]，在一定的閘門(mén)時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)，門(mén)控信號(hào)和被測(cè)信號(hào)不同步，計(jì)數(shù)值會(huì)產(chǎn)生一個(gè)脈沖的誤差。等精度測(cè)頻法采用門(mén)控信號(hào)和被測(cè)信號(hào)同步，消除對(duì)被測(cè)信號(hào)計(jì)數(shù)產(chǎn)生的一個(gè)脈沖的誤差。等精度頻率測(cè)量方法消除了量化誤差，可以在整個(gè)測(cè)試頻段內(nèi)保持高精度不變，其精度不會(huì)因被測(cè)信號(hào)頻率的高低而發(fā)生變化。采用單片機(jī)作為控制核心的等精度頻率計(jì)，可以充分利用單片機(jī)軟件編程技術(shù)實(shí)現(xiàn)等精度測(cè)頻。通過(guò)單片機(jī)對(duì)同步門(mén)的控制，使被測(cè)信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)在閘門(mén)時(shí)間內(nèi)同步測(cè)量，為了提高精度，將電子計(jì)數(shù)功能轉(zhuǎn)為測(cè)周期，采用多周期同步測(cè)量技術(shù)，實(shí)現(xiàn)等精度測(cè)量。
1等精度頻率計(jì)的測(cè)量原理
1．1等精度頻率計(jì)的測(cè)量原理

基于傳統(tǒng)測(cè)頻原理的頻率計(jì)的測(cè)量精度將隨被測(cè)信號(hào)頻率的變化而變化。傳統(tǒng)的直接測(cè)
頻法其測(cè)量精度將隨被測(cè)信號(hào)頻率的降低而降低，測(cè)周法的測(cè)量精度將隨被測(cè)信號(hào)頻率的升高而降低，在實(shí)用中有較大的局限性，而等精度頻率計(jì)不但具有較高的測(cè)量精度，而且在整個(gè)頻率區(qū)域能保持恒定的測(cè)試精度。
等精度頻率的測(cè)量原理圖1所示[2]。頻率為fx的被測(cè)信號(hào)經(jīng)通道濾波、放大、整形后
輸入到同步門(mén)控制電路和主門(mén)1（閘門(mén)），晶體振蕩器的輸出信號(hào)作為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)（時(shí)基信號(hào)）輸入到主門(mén)2。被測(cè)信號(hào)在同步控制門(mén)的作用下，產(chǎn)生一個(gè)與被測(cè)信號(hào)同步的閘門(mén)信號(hào)，被測(cè)信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)（時(shí)基信號(hào)）在同步門(mén)控制信號(hào)的控制下。在同步門(mén)打開(kāi)時(shí)通過(guò)同步門(mén)分別輸入到事件計(jì)數(shù)器和時(shí)間計(jì)數(shù)器的信號(hào)輸入端，計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)。同步門(mén)關(guān)閉時(shí)信號(hào)不能通過(guò)主門(mén)，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，單片機(jī)發(fā)出命令讀入計(jì)數(shù)器的數(shù)值，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將處理后的結(jié)果送顯示。
等精度頻率測(cè)量方法是采用多周期同步測(cè)量。如圖1的測(cè)量原理圖所示由單片機(jī)發(fā)出預(yù)置門(mén)控信號(hào)GATE，GATE的時(shí)間寬度對(duì)測(cè)頻精度影響較少，可以在較大的范圍內(nèi)選擇，即在高頻段時(shí)，閘門(mén)時(shí)間較短；低頻時(shí)閘門(mén)時(shí)間較長(zhǎng)。實(shí)現(xiàn)了全范圍等精度測(cè)量，減少了低頻測(cè)量的誤差。
在同步門(mén)的控制下，一方面保證了被測(cè)信號(hào)和時(shí)基信號(hào)的同步測(cè)量；另一方面在同步門(mén)打開(kāi)后計(jì)數(shù)器并不是馬上計(jì)數(shù)，而是在被測(cè)信號(hào)的下一個(gè)上升沿開(kāi)始計(jì)數(shù)，同步門(mén)關(guān)閉后計(jì)數(shù)器也不是馬上停止計(jì)數(shù)，而是在被測(cè)信號(hào)的下一個(gè)上升沿停止計(jì)數(shù)。即在實(shí)際閘門(mén)時(shí)間計(jì)數(shù)，從而提高了測(cè)量精度。
由于采用D觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)的同步門(mén)的同步作用，事件計(jì)數(shù)器所記錄的Nx值已不存在誤差的影響，但由于時(shí)鐘信號(hào)與閘門(mén)的開(kāi)和關(guān)無(wú)確定的相位關(guān)系，時(shí)間計(jì)數(shù)器所記錄的N0的值仍存在±1誤差的影響，只是由于時(shí)鐘頻率很高，誤差的影響很小。所以在全頻段的測(cè)量精度是均衡的,從而實(shí)現(xiàn)等精度頻率測(cè)量。
1．2 等精度頻率計(jì)計(jì)數(shù)測(cè)量誤差

2 等精度測(cè)頻的硬件電路設(shè)計(jì)及測(cè)量過(guò)程