浅析几种基于单片机的数字频率测量仪的设计

【高教研究】

浅析几种基于单片机的数字频率测量仪的设计

殷勤奋，汤宇

（江苏省无锡技师学院，浙江无锡

214000）

摘要：本文介绍了以ＡＴ８９Ｃ５１单片机为核心，利用其中断源，分别采用计数法、测周法和同步法实现对不同频率的测量，以满足不同电子测量系统对测量精度的要求。文中综合地对三种方法进行了比较及误差分析，并结合了Ｐｒｏｔｅｕｓ软件进行仿真验证。

关键词：单片机；计数法；测周法；同步法；频率测量；Ｐｒｏｔｅｕｓ仿真

一、引言

频率测量是电子测量系统中的一个重要参数，测量

而精度的高低对于一个控制系统的设计有着密切关系。

功能强等优势，在电子领域应用已单片机具有体积小、

十分广泛。为此，本文介绍了以AT89C51单片机为核心，

测周、同步三种测量方充分利用其内部资源，采用计数、

法，实现对一个连续脉冲的频率测量，并通过数码管显示被测脉冲频率，满足了不同电子测量系统对测量精度的要求，其中重点分析了同步测量法。

二、系统组成及工作原理

利用单片机实现对某一信号频率的测量，首先需要单片机对被测信号进行脉冲采集，即单片机能准确识别的信号为周期性矩形脉冲信号，前级波形整形电路本文不作介绍。本设计利用单片机的P3.2、P3.4口作为脉冲信号采集端口，通过单片机对采集到的脉冲信号进行运算处理，最终由I/O口驱动数码管，显示出被测信号频率。系统硬件原理图如图1所示。

计数法测量频率是利用单片机内部两个定时器/计数器T0和T1，使一个工作在定时模式，另一个工作在计

计数法测量频率时序图如图数模式下完成测量功能的。

2所示。

用定时器T1来产生一个1S的时钟基准，同时计数器T0对由P3.4口输入的周期性矩形脉冲信号的下降沿进行累积计数，再将累积计数值M送数码管显示。设计软

f=M

图1系统硬件原理图

图3计数法设计软件流程图

三、测量方法选择

频率即周期性信号在单位时间（1s）内变化的次数。若在一定时间间隔T内测得某周期性信号的重复变化次数为N，则其频率可表示为f=N／T。

频率测量主要有三种方法：（1）计数法；（2）测周法；（3）同步法。

（一）计数法

件流程图如图3所示。

（二）测周法

测周期法又称计时法，是利用周期和频率之间互为倒数的关系，通过测量周期性矩形脉冲信号一个或多个周期的时间，取其一个周期的倒数即为该脉冲信号的频

图4

图2

计数法测量频率时序图

测周法测量频率时序图

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率。测周法测量频率时序图如图4所示。

将单片机的P3.2端口作为脉冲信号的输入端，利用中断方式，当外部中断0检测到第一个脉冲下降沿时，开启定时器T1，紧接着当检测到第二个脉冲下降沿时，关闭定时器T1，此时定时器内部累积的时间即为该脉冲的周期，取其倒数则可得到其频率。而实际设计中，考虑到为了提高测量精度和保证测量数据的实时刷新，可

然后取其平根据不同的频率范围选择适当的周期数M，

制，即每一次测量过程中对脉冲采集时间的设定，为了

保证测量和显示的数据实时刷新，一般t1取0.5S到1S为佳。

四、误差分析

为验证以上三种方案的可行性，本文结合了Proteus软件进行仿真验证。

（一）计数法

计数法主要是利用单片机的计数器在标准时间1S内对输入脉冲进行累积计数，所得的值即为信号频率。其主要误差源都是由于定时开始时的第一个脉冲和定时时间到时的最后一个脉冲信号是否被记录，存在随机性，因而引起的±1误差。由于计数器只能进行整数计数，即该测量方法只能完成对频率值整数部分的测量，

利用Proteus软件仿真测量不同频无法精确的小数部分。

率时，该方法所引起的误差率可知当被测信号频率越低时，该方法所引起的测量误差就越大，因此计数法主要适用于高频信号的测量，最大测量频率不能超过500KHZ。

（二）测周法

测周法其实就是要完成对被测脉冲信号一个完整周期的计时，其误差主要取决于单片机内部时钟信号的精度和稳定性。当测量周期较长的脉冲信号（低频信号）时，因为时间相对较长，单片机的内部定时器计时相对比较准确，测量结果误差较小，相反测量周期较短的脉冲信号（高频信号）时，所引起的误差就偏大。同时利用周期与频率之间的倒数关系，通过运算可将测量频率精确到小数部分。

（三）同步法

同步法其实综合运用了计数法和测周法优点，做到了测量时的启停同步，无计数误差，只有单片机内部时钟频率存在的±1计数误差。测量误差与被测信号频率无关，可以省去计算中界频率和考虑测量模式的选择等问题，大大提高了测量的精度。利用Proteus软件仿真测量不同频率时，理论上该方法可使测量精度提高到10~6数量级。

五、结束语

本文分别介绍了计数法、测周法和同步法三种测频仪的设计方案，结合Proteus软件进行了仿真验证，并对每一种测量方法引起的误差进行了分析，经综合比较，同步法具有测量精度高，节约硬件资源等优点。实际应用中，我们可以根据不同测量系统的精度要求，选择相应的测量方法。

参考文献：

［１］卢飞跃．基于单片机的高精度频率计设计［Ｊ］．电子测量技术，２００６，２９（５）．

［２］刘一农，罗志会．基于单片机的高精度频率测量仪的设计［Ｊ］．三峡大学学报（自然科学版），２００９，３１（３）．

［３］许军．以单片机为核心的测频系统测量误差［Ｊ］．１９９８，（５）．［４］杨国田，白焰，董玲．５１单片机实用Ｃ语言程序设计与典型实例［Ｍ］．中国电力出版社，２００９．

数据处理f=M/

%图5测周法设计软件流程图

均值来减少测量误差。设计软件流程图如图5所示：

（三）同步法

同步法测量综合运用了计数法和测周法，充分利用单片机内部的中断源，使被测信号与单片机内部时钟信号同步，实现了同步测量。将单片机的P3.2和P3.4端口同时作为脉冲信号的输入端，单片机工作于中断模式，当外部中断0检测到被测脉冲（P3.2口）其中一个下降沿时，同时去开启计数器T0和定时器T1，使T0对被测脉冲（P3.4口）进行累积计数，T1进行内部累积计时，并且关闭当前外部中断响应模式，此时做到了测量开始的同步。直至设定的计数时间t1到，然后再重新打开外部中断，而此时并不会立即关闭计数器T0和定时器T1，而是要等到被测脉冲的下一个下降沿到来触发外部中断0响应后，再去同时关闭计数器T0和定时器T1，此时做到了测量结束的同步。最后分别取出计数器T0中的计数值N和定时器T1的内部计时时间T1代入公式f=N/T1进行数据运算，送数码管显示被测脉冲频率。定时器T1中的设定计数时间t1主要用来完成对测量数据刷新周期的控