在電子技術領域內(nèi)，頻率是一個最基本的參數(shù)，頻率與其它許多電參量的測量方案，都有十分密切的關系。因此，頻率的測量就顯得更為重要，而且，目前在電子測量中，頻率的測量精確度最高。

1. 電子計數(shù)測頻原理框圖

首先，被測信號通過放大整形，形成幅度一致，形狀一致是計數(shù)脈沖。然后，N將它加到閘門的一個輸入端，閘門由門控信號來控制其關閉時間。計得的脈沖送至譯碼，再送顯示器顯示出來。而由晶振產(chǎn)生的1MHz的振蕩信號經(jīng)放大整形，形成方波，經(jīng)多個10分頻10s，1s，0.1s，0.01s，1ms，那么有fx=N／T符合測頻定義。根據(jù)f=N／T。不難看出，采用計數(shù)器測頻的測量誤差，一方面決定于閘門時間T準不準確，即由晶振提供的標準頻率的準確度△T／T=-（△fo／fo）；另一方面決定于計數(shù)器計得的數(shù)準不準，即“±1誤差”，△N／N=±1／N=±（1／○XTfx）。所以，計數(shù)器直接測頻的誤差主要有兩項，即±1誤差和標準頻率誤差。測低頻時，由于±1誤差產(chǎn)生的測頻誤差大得驚人，所以不宜采用直接測頻方法。由于fX較低時，利用計數(shù)器直接測頻，由±1誤差所引起的測頻誤差將會大到不可允許的程度。所以，為了提高測量低頻時的準確度，即減少±1誤差的影響，可改成先測周期Tx，然后計算fx=1／Tx。

2. 電子計數(shù)器測周期原理

Tx經(jīng)放大整形控制雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器形成門控信號，控制閘門的開閉；然后晶搌產(chǎn)生的1MHz的振蕩信號，經(jīng)放大整形形成方波，產(chǎn)生幅度一致，形狀一致是計數(shù)脈沖。當閘門打開時，對計數(shù)脈沖進行計數(shù)；閘門關閉時，停止計數(shù)。計得的脈沖送譯碼，送顯示。

3. 單片機定時器工作原理

8XX51單片機的定時器T1由TH1，TL1組成，定時器T0由TH0，TL0組成。它們均為八位寄存器，映射在特殊功能寄存器中，占地址8AH、8BH。它們用于存放定時或計數(shù)的初始值。此外，內(nèi)部還有一個八位的方式選擇寄存器TMOD和一個八位的控制寄存器TCON，占地址89H和88H，用于選擇定時器／計數(shù)器的工作方式，如計數(shù)還是定時（C／-T），啟動的方式（GATE）及發(fā)啟動控制信號TRx。

定時和計數(shù)實質(zhì)都是對脈沖的計數(shù)，只是被計的脈沖的來源不同，定時方式的計數(shù)初值和被計脈沖的周期有關，而計數(shù)方式的計數(shù)初值只和被計脈沖的個數(shù)有關（計由高到低的邊沿數(shù)）。

8031單片機內(nèi)含有兩個16位可編程定時／計數(shù)器。均可編程對內(nèi)部機器周期計數(shù)（定時方式），或?qū)ν獠恳_輸入的脈沖進行計數(shù)（計數(shù)方式）。CPU工作于12MHz主頻時，外部最高計數(shù)頻率500kHz，內(nèi)部時鐘計數(shù)頻率達1MHz。定時器的基準定時脈沖周期為1μs，當采用測頻方式時，T／C0編程為計數(shù)方式，對被測信號頻率計數(shù)，產(chǎn)生欲置的檢測時間。由于定時器最長的定時時間為65535s，欲產(chǎn)生更長的檢測時間需使用軟件計數(shù)器，中斷多次即可獲得所需檢測時間。被測頻率較低時，則選用測周方式；T／C1編程為定時方式，用來對m個輸入脈沖周期所經(jīng)歷的時間計時。

4. 等精度測量原理框圖

微處理器的主要優(yōu)點之一是可以利用微處理器的數(shù)據(jù)處理能力，減少測量過程中產(chǎn)生的隨機誤差和系統(tǒng)誤差，從而提高測量精度，所以往往把單片機運用在電子測量過程中，來提高測量精度。

實現(xiàn)等精度測量原理，關鍵是使Nx不產(chǎn)生誤差，而No不超過±1誤差。利用PC機總線技術，設計了相應的控制門電路，實現(xiàn)對被測頻率信號的計數(shù)及相應的精確閘門時間，并使閘門的開啟與關閉和被測信號的有效跳變同步。

預置門的打開和關閉由被測信號和預置的測量時間控制，計數(shù)器Nx在預置門的控制下對被測信號頻率計數(shù)，控制門根據(jù)預置門產(chǎn)生一個與被測信號同步的同步門；計數(shù)器No在同步門的控制下對時標計數(shù)，得到精確的閘門時間Tg。設時標周期為To，則被測頻率Fx=Nx／NoTo。

單片機采用定時ls的測頻法先對信號進行預測，軟件根據(jù)頻率高低自動選擇檢測時間或周期擴展倍數(shù)，以保證各檔都有較高測量精度。當輸入信號頻率超過100kHz時，信號經(jīng)擴展計數(shù)器分頻后送入8031按測頻法測量，頻率檢測時間設有三檔，分別為0.01s、0.1s、1s。在轉(zhuǎn)入周期測量后，信號直接送入單片機，周期擴展倍數(shù)有104、103、102、10、1五檔。

由于單片機的最高計數(shù)頻率為500kHz，限制了測頻范圍，必須對高頻進行分頻。擴展n分頻器后，將會產(chǎn)生分頻誤差。這個n分頻最大將導致（n-1）個待測頻率周期的分頻誤差。該誤差量級與“±l”誤差相當，甚至更大。為了提高測頻分辨率，我們采用了硬件同步分頻技術，即在閘門開啟的有效上升沿時刻，對74LS591分頻器清零。在閘門關閉時刻，將分頻狀態(tài)打入總線緩沖器74LS244，8031通過緩沖器讀出其值，從而消除了“分頻誤差”。

在本系統(tǒng)中，T／C1編程為定時方式時，在12MHz晶振下其最大定時時間只有65.536ms，需采用軟件來擴展計數(shù)器的容量。即計數(shù)器每溢出中斷一次，片內(nèi)RAM的內(nèi)容加一計數(shù)，這樣大大擴了單片機的計數(shù)范圍。但同時也引入了中斷響應的時間誤差，我們稱之為“軟件誤差”。頻率計的核心是時間基準的正確性，因此在中斷后重置定時器時間常數(shù)時，不能簡單地采用重置辦法。從單片機的中斷響應系統(tǒng)及其響應過程可知：（1）定時器每次溢出中斷時，WAIT語句必須執(zhí)行完才能響應，該條指令的執(zhí)行時間為2μs，我們?nèi)∑淦骄舆t時間為1μs；（2）CPU響應中斷到執(zhí)行中斷服務程序首條指令至少需3個完整的機器周期，即延時3μs；（3）中斷服務程序中實際的定時時間是在執(zhí)行完時間常數(shù)的裝載指令后才開始，兩條裝載指令占用4μs。根據(jù)以上分析。每次中斷后，將延遲約8μs后才開始定時。實際獲得的定時時間必須考慮到8μs的延遲，該頻率計采用軟件補償?shù)奶幚矸椒▉斫档推溆绊?。由于軟件修正相當方便在儀器調(diào)試中可作進一步的調(diào)整，因此基本上可消除軟件誤差。

頻率計根據(jù)被測信號頻率的大小，軟件控制自動切換頻率檢測時間，或自動轉(zhuǎn)換為周期測量，其軟件設計采用模塊化結(jié)構(gòu)設計，程序設計與調(diào)試都很方便，功能擴充也很靈活。單片機上電復位后，首先執(zhí)行主程序，完成有關芯片和定時器的初始化，設置數(shù)據(jù)緩沖區(qū)、顯示方式、數(shù)據(jù)計數(shù)器初值及頻率初測方式等。開中斷后，隨時檢測外部中斷和定時器所發(fā)出的中斷請求信號，一旦有則轉(zhuǎn)入相應的中斷服務程序，否則返回顯示程序，顯示所測的頻率值。

5. 結(jié)束語

本文通過比較以往電子計數(shù)測頻原理、電子計數(shù)測周期原理的分析，結(jié)合單片機定時／計數(shù)器的工作原理，給出了等精度測量原理以及軟件誤差的消除方法。實現(xiàn)起來簡單可靠且性能穩(wěn)定、精度高、性價比低等優(yōu)點。

責任編輯：gt