基于单片机的高精度频率计设计

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!! 电 ! 子 ! 测 ! 量 ! 技 ! 术 \# % ( * ,% ’ ! \. !!! ! $ &’ # )! + !)! $ $ #-’& & /

第0 卷 第2期 1 03 年5 月! 34 3 基于单片机的高精度频率计设计 卢飞跃

! 广州番禺职业技术学院 广州 2 5 W \摘 ! 要!介绍了基于 * W 系列单片机的高精度频率计的设计方案! 描述了它的系统组成\工作 原 理 和 软 件 设 计# 此 $1 外! 阐述了利用单片机实现多周期同步法测量频率的方法! 包括同步接口电路设计和测量原理#该频率计采 用 单 片 机 与频率测量技术相结合! 利于多周期同步测量法的实现和灵活的测量自动控制! 并且大大提高了测量的精度# 关键词!高精度$频率计$单片机$同步法 ;/ )+ - , (&B, =-\ \

%8 O ?O= FUIJC >C#I @ ! F > c ? 5 7 6 I 5 / &$ $ =HN > H88 ?J B

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在电磁量的测量中! 间 和 频 率 的 测 量 可 以 达 到 最 高 时 的精确度#因此! 将任何其 它 物 理 量 转 换 成 时 间 或 频 率 后 进行 测 量! 精 确 度 基 本 上 取 决 于 转 换 精 度! 对 提 高 时 其 这 间和频率 测 量 的 精 确 度 和 自 动 化 程 度! 有 重 要 的 现 实 具 意义# 多周期同步 测 量 频 率 方 法 具 有 精 确 度 高\量 迅 速\测 容易实现测量过程自动化 等 一 系 列 优 点! 成 为 目 前 频 率 已 测量的重要方法#而单 片 机 内 部 具 有 定 时(计 数 器 和 高 稳 定度的标准频 率 源 等 硬 件 资 源 以 及 灵 活 的 软 件 运 算 和 控 制功 能! 十 分 方 便 地 对 外 部 信 号 进 行 计 数! 且 可 以 实 能 并 现逻辑控制及数据运算# 采用单片机 与 频 率 测 量 技 术 相 结 合 可 大 大 提 高 频 率 计的自动化程度和灵活性! 用 多 周 期 同 步 法 可 提 高 测 频 采 的精确度#本文设计的频率计就是基于上述设计思想# 图 5! 硬件系统框图

的同步接口电路! 该同步控 制 接 口 电 路 是 根 据 多 周 期 同 步 法测频设计 的# 在 同 步 控 制 接 口 电 路 与 单 片 机 内 部 计 数 器特 性 以 及 软 件 共 同 控 制 下! 设 定 时 间 内! 用 单 片 机 在 利 内部的两个计数 器 分 别 对 外 部 被 测 信 号 和 内 部 时 钟 周 期 信号进行同步计数! 计数 的 结 果 暂 存 于 单 片 机 内 部# 在 测 量结束后! 通过单片机进行计算得到测量结果# 单片机系统 包 括 单 片 机

\盘 和 显 示 器 等! 要 负 责 键 主 控制整个频率计的工作\入 操 作 信 号\量 数 据 的 处 理! 输 测 以及测量结果的显示等! 是系统的核心#采用的 *$ 1 2 W #0 系列单片机! 内部包含有程序存贮器和 6 个计数器# )! 系统组成与工作原理

基于单片机的高精度频率计的原理如图 5 所示# 输入通道 由 阻 抗 变 换 器\带 放 大 器 和 整 形 电 路 组 宽 成#输入通道的作用是将 被 测 信 号 进 行 放 大 整 形! 换 成 变 作为同步接口电路的 输 入 信 号#由 $ \电平的脉冲波形! $ 于采用单片机作为控制和 处 理! 计 了 与 通 常 频 率 计 不 同 设 *! 基于单片机的多周期同步测频原理

基于 *$ 1 2 系列单片机采 用 多 周 期 同 步 测 量 频 率 W #0 时! 充 分 利 用 其 内 部 的 资 源 和 软 件 控 制 功 能! 合 简 单 要 配 的同步接口电路! 达到同 步 计 数 的 要 求# 其 同 步 控 制 接 口 电路如图 0 所示# 单片机 *$ 1 2 内部 $ 设 为 5 位 计 数 器! 于 对 用 W #0 3 4 )1 ) 4

基于单片机的高精度频率计设计 !!!!!!!! 卢飞跃! 被测信号 第2期

由图6 可知! 3 对被测信号计数的计数值 J! 5 对内 $ $ 平 部周期的计数值 F # 设 内 部 周 期 的 平 均 频 率 为 5F % 均 周期为 AF & 对 被 测 信 号 的 平 均 频 率 为 5J % 均 周 期 为 ! 平 ! 有 AJ & 二者计数时间相同! J[AJ ZF [AF 则

J 5; Z 5F F 根据上述的多周期同步测量法分析可知! 3 和 $ 的 $ 5

启停是同步的! 的计数正确! 计 数 误 差! 只 有 单 片 机 无 而 J 内部时钟频率存在 f5 的计数误差# ,! 软件设计

在基于单片机的频率计中! 单片机负责控制’ 测量’ 计 算等#具体地说! 片 机 要 执 行 按 键 分 析 及 处 理’ 态 扫 单 动 描显示’ 测量 控 制 与 计 数’ 量 结 果 数 据 处 理 等 工 作# 控 测

图 0! 同步控制接口电路

制单 片 机 的 软 件 包 括 主 程 序’ 示 子 程 序’ 分 析 及 处 理 显 键 子程序’ 数据 处 理 子 程 序’ 时 中 断 处 理 子 程 序 等# 其 基 定 本工作流程如图 7 所示#

外部输入的被测信号进行计 数! 且 设 置 启 停 同 时 受 $ 3 并 % 和( 3 共同控制\5 设为 5 位计数 器! 于 对 内 部 周 期 用 ’$ $ 4 进行计数! 并且设 置 启 停 同 时 受 $ 5 和 ( 5 共 同 控 制\% ’$ 实 $ 设置 为 5 位 定 时 器 和 中 断 工 作 模 式! 现 对 测 量 时 间 0 4 的定时# 图 0 中!5 和 V 为上升沿触发的 V 触 发 器#其 工 作 V 0 过程为$ 测 量 前! 单 片 机 U 3 输 出 低 电 平 3 使 V 输 在 由 5S 5 出为 3!0 输出为 5\后 由 U 3 置 5!5S 清 3! 动 测 然 启 V 5S U 5 量! 定时器 $ 定时开始计时#当被测信号 ! 的上升沿 到 0 ; 来 时! V 输出翻转为 5! 使 5 单片机的( 3 和( 5 同时变 ’$ ’$ 为高电平! 同时启动 $ 和 $ 开 始 计 数! 现 二 者 计 数 开 实 3 5 始的同步#$ 和 $ 开始计数时! 同时启动 $ 定 时 开 始# 3 5 0 当 $ 的定 时 间 一 到! 请 中 断! U 5 置 5! V 输 出 申 由 5S 使 0 0 翻 转为3#但 V 仍维持高电平状态! 3 和 $ 并不立即停 5 $ 5 止计数#此后直至被测信号 ! 的下一个上升沿到来将 V 5 ; 输出翻转为 3!

3 和 $ 同时停止计数! 达到计数结束同 步 $ 5 的目的#到此完成了一个 测 量 频 率 的 过 程! 后 的 被 测 信 以 电 只 号 ! 不再起作用! 路 处 于 闭 锁 状 态! 有 重 置 U 3 复 5S ; 位! 才能进行下一次测量#测量原理波形如图 6 所示# 图 7! 基本工作流程图

主程序在完 成 初 始 化 工 作 如 设 置 定 时 器 $ ’ 5’ 0 3$ $ 等工 作 方 式 后! 示 初 始 值! 入 按 键 输 入 分 析 及 处 理 程 显 进 序#按下测量键 后 开 始 测 量! 至 测 量 结 束 后! 测 量 数 直 对 据进行数据计算! 并及时由显示子程序显示测量结果# 进入测量键 处 理 子 程 序! 出 起 动 测 量 的 信 号 % 电 发 高 平& 启动 $ 定 时 开 始 工 作! 回 主 程 序# 随 后!’$ ( ! 返 0 ( 3 同时启动 $ 和 $ 开 始 ( 5 响应起动测量的工作脉冲! ’$ 3 5 自动计数# 当设定定时时间一到! 进入 $ 定时中断服务子程序! 0 结束测量! 发结束 测 量 的 工 作 信 号 % 电 平 & 并 且 设 置 测 低 ! 量完标志% 主 程 序 判 断 测 量 是 否 结 束 用& 返 回# 随 后! 供 ! 图 6! 基于单片机的多周期同步测频波形图 同 ( 3( 5 响 应 结 束 测 量 的 工 作 脉 冲! 时 自 动 停 止 $ ’$ ( ’$ 3 和 $ 工作# 5

\下转第 5 3 页# 2 )1 ) _ 1 !第0 卷

电!子!测!量!技!术

系统 相 对 于 软 件 性 能 有 极 大 的 提 升! 软 !! 由图 2 可知\件系统在 7 3 ) P 左 右 的 流 量 下 就 已 经 出 现 丢 包 的 情 3 9N 况!而且\如果 流 量 中 短 包 的 比 例 增 大 时\包 率 会 急 剧 丢 地增多!而本系统在 54 3 ) P 以 下 都 能 以 接 近 于 零 的 3 9N 并且基本不受包长变化的影响! 丢包率工作\ 3! 结 ! 论

本文提出了 一 种 基 于 \操 作 系 统 的 高 速 网 络 数 BF 据分流系统 的 设 计! 该 方 案 提 出 了 一 种 软 硬 件 结 合 的 思 将规则以软件和硬件 0 种 形 态 设 置 到 系 统 中 去! 使 得 路\软硬件协同完成网络数据分流的功能! 该方案同时 具 有 软 件 的 灵 活 性 和 硬 件 的 快 速 性 的 优 点!突破了传统网络数据 分 类 系 统 的 性 能 瓶 颈\实 际 测 在 试中\以 达 到 对 0 路 千 兆 以 太 网 数 据 并 行 处 理 的 性 能 可 图 7! 中断处理流程 要求!

参 考 文 献 ,! 结果分析

本系统已经成功地 在 一 台 \T 服 务 器 上 得 以 实 现! BF 并使用 + 8JYJ 测试工具 模 拟 真 实 网 络 环 境\系 统 进 对 AK B N 行了测试!为了与软件解 决 方 案 进 行 对 比\时 直 接 使 用 同 性 \进行了 测 试! 并 对 丢 包 率 进 行 了 对 比\能 分 析 BP8 如图 2 所示!

# $ ?B V @? >B ) K YIB X IB %N? .8IC 5 !\K>B U? I @ 8 H ?JAcJ > ? ?J 8=9NH 8= > S KEB B> > PB B8 ? ENEQ KR8= B B >J ?d8 8OB 8 P CJ > # $ ?N V C H@ =Q KR>IN PI 8 ? N D S# K? F8 =I N B B * KcB0R3 0 ?B?(8O 9Fc\5 1$ K \= ?O B A > @ A > BJ NK == =Q K >=ECN# $( 8 8 = =J >?F=R MI>J ?dBJK8= # S> I U?=H> N? ? (JK? >CN:S KC=B@ E- J >=C > =J # $ BKNE # K ?8 ? S )C??J ; > ? N HB= 6 !)C??J ?PKJ > B BKNE BH Q K K M HMIP =J d N # Y & $ B V % \

S C A Hd S ? % H% # $ ? 8< > # K= \K@ K8R - KA > \’K =B ? (# $ & 8J 8 S BF =B K K 6H H B> ) S i C M J %BO a * NC JN > \图 2! 丢包率性能对比图

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% ! 上接第 1 页\参 考 文 献

3! 结束语

频率计采用单片机与 频 率 测 量 技 术 相 结 合\于 多 周 利 期同步测量法的实现和灵 活 的 测 量 自 动 控 制\且 大 大 提 并 则 高了测量的精度!如果提 高 时 基 频 率 或 延 长 测 量 时 间\还可以进一步提高测量 的 精 确 度! 另 一 方 面\分 利 用 单 充 片机内部硬件资源和软件 功 能\可 以 大 大 减 少 硬 件 电 路 将 的复 杂 性\电 路 结 构 更 加 简 洁\利 于 提 高 频 率 计 的 工 使 有 作可靠性! 经设计与运行测试\现在测量频率的范围只是 5 - # 3 c 同 0 )- \果 将 前 向 通 道 改 成 更 宽 频 带 的 通 道\时 选 用 c如 时基频率 更 高 的 单 片 机 类 型\容 易 扩 展 频 率 计 的 测 量 很 范围! # $ 沈跃\黄延军\君 S基 于 精 密 二 极 管 线 性 系 统 幅 频 特 马 5! 性自动测量#$ 电子测量技术\’ (2 # $ 牟方锐\马杨云\王章瑞 S 可编程定时计数器 V 0 70 在 0! W 2R 频率测量中的应用#$ 电子技术\6\7 &17 DS 0 3 6 ’ (7R0S # $ 陈晓荣\蔡萍 S 基于单片 机 的 频 率 测 量 的 几 种 实 用 方 法 6! #$ 工业仪表与自动化装置\’ (7R0S # $ 张杰\姚剑\叶林\李昌禧 S频率测量的新方法#$ 工业 7! DS 仪表与自动化装置\’ (4R4S # $ 徐爱钧 S智能化测量 控 制 仪 表 原 理 与 设 计 # $ 北 京& 2! ) S 北京航空航天大学出版社\2S 51 # $ 刘军华 S现代检测技 术 与 测 试 系 统 设 计 # $ 西 安& 西 4! ) S 安交通大学出版社\ )53) 2

基于单片机的高精度频率计设计 作者： 作者单位： 刊名： 英文刊名： 年，卷(期)： 被引用次数： 卢飞跃， Lu Feiyue 广州番禺职业技术学院,广州,511483 电子测量技术 ELECTRONIC MEASUREMENT TECHNOLOGY 2006，29(5) 7次 参考文献(6条) 1.沈跃.黄延军.马君 基于精密二极管线性系统幅频特性自动测量[期刊论文]-电子测量技术 2004(04) 2.牟方锐.马杨云.王章瑞 可编程定时计数器D8254-2在频率测量中的应用[期刊论文]-电子技术 2003(04) 3.陈晓荣.蔡萍 基于单片机的频率测量的几种实用方法[期刊论文]-工业仪表与自动化装置 2003(01) 4.张杰.姚剑.叶林.李昌禧 频率测量的新方法[期刊论文]-工业仪表与自动化装置 2003(01) 5.徐爱钧 智能化测量控制仪表原理与设计 1995 6.刘君华 现代检测技术与测试系统设计 1999

相似文献(10条) 1.期刊论文 闵祥娜.Min Xiangna 基于TDC-GP1的高精度宽量程频率计设计 -中国科技信息2009,\

介绍了利用低成本单片机控制高精度时间测量芯片TDC-GP1实现宽量程高精度频率计设计的方法,简单分析了TDC-GP1的结构和性能特点,对频率计的硬 件系统和软件系统进行了介绍,并分析了频率测量的精度.

2.学位论文 邹魏华 低成本高精度相检宽带频率计的开发 2008

本文主要论述了低成本高精度相检宽带频率计的研制目的和具体实现方案。本频率计是采用相检宽带测频技术设计而成，克服了±1个字的计数误差 ，实现了宽频率范围内的高精度频率测量，并使成本保持较低水平。 本设计采用了新型的相位重合点检测电路，提高了相位重合检测的精度。频率标准由外接原子频标改为内置高稳压控晶振，降低了仪器成本。另

外增 加了标频校准的功能，保证在使用老化率相对较高的高稳压控晶振情况下也能获得很高的测量准确度。仪器中相位重合点检测和计数部分是在FPGA芯片内 部编程设计实现，降低了系统复杂度和成本，提高了可靠性，并且增强了保密性，可有效保护开发者的知识产权。FPGA采用的是ALTERA公司Cyclone系列的 FPGA芯片，使用EDA工具Quartus II 6.0开发。计算和显示工作主要由MCU完成，MCU选用的是ATMEL，公司的MCS-51系列的89C51单片机，仪器的显示方式采 用MCU控制的液晶模块显示。 实践证明，该频率计具有低成本，高精度，高集成度和高可靠性等优点，可与企业合作生产并面向市场推广。

3.期刊论文 孙昌将.刁仁华.任荣社.SUN Chang-jiang.DIAO Ren-hua.REN Rong-she 柴油机电喷系统中高精度频率计 的设计 -内燃机2006,\

介绍了电喷系统中高精度频率计电路的设计原理.对频率计中存在的±1个字误差产生的原因进行了分析,并提出了解决的方案,可实现精确度很高的测 频.硬件系统功能通过I/O接口板实现,可由微机进行实时监控.

4.期刊论文 杨明涛.杨海明.侯文.郑宾 基于C8051F041的高精度频率计设计 -电子元器件应用2010,12(2)

根据等精度测频原理,给出了采用C8051F04l单片机为主控芯片的高精度数字频率计的设计方法.该方法将待测频率信号经过整形放大后输入单片机,然 后由单片机控制内部计数器分别对待测信号和标准信号同时计数,再经运算处理得到测量结果,并由LCD实时显示,同时通过RS232串口传至上位机进行记录分 析.该设计方法与传统测频系统相比,具有测频精度高,速度快,范围宽等优点.

5.期刊论文 崔夏荣 一种宽频高精度频率计的设计 -电子技术2001,28(8)

文章介绍了一种应用单片机和高速逻辑器件设计宽频高精度频率计的方法,并讨论了采用硬件定时和软件同步的问题.

6.学位论文 任丽棉 基于全相位FFT的高精度频率计系统研究 2009

频率检测是电子测 量领域的最基本的测量之一。频率信号抗干扰能力强、适 合远距离传输、可以获得较高的测量精度，而数字化频率测量方法因其精度高、 抗干扰能力强、算法灵活等优点，越来越受到重视。本论文旨在将导师研究多年 的全相位FFT分析技术给予硬件实现，将其进一步扩展应用到高精度频率计的设 计中。除了选用全相位FFT算法外，本系统还将ARM7开发平台、LPC2103芯 片和AD9833芯片组合起来，形成一个完整的系统，以得到更高精度的频率计。 论文首先详细介绍了全相位数据预处理即频谱分析方法的概念及性质，指出 全相位方法由于考虑了输入数据的所有分割情况，所以具有优良的频谱分析性 质，并且理论验证了全相位FFT谱分析具有水平相位特性。另外又重点从精度、 消耗的数据成本、计算复杂度等方面对传统频率校正方法和全相位频率校正方法 做了分析对比，仿真比较了三种相位差法：传统相位差校正法、FFT/apFFT综合 相位差校正法和全相位时移相位差校正法。并最终确定将最佳的FFT/apFFT综 合相位差校正法应用到频率计测频上，以大大提高测频的准确度和精度。 论文详细给出了本次课题频率计的硬件系统和软件系统的设计方案及设计 步骤，然后又对实验结果进行了分析。结果证明，本次设计达到了预期的目标。 最后又针对一些问题提出了改进的建议。 关键词：全相位；频率计；频谱校正；ARM；高精度

7.期刊论文 彭华.谭洪涛.康小平.张学平.PENG Hua.TAN Hongtao.KANG Xiaoping.ZHANG Xueping 一种改进的实用型 频率计设计方法 -现代电子技术2005,28(22)

介绍了一种实用型频率计的实现方法,主要包括该频率计的硬件组成和工作原理2部分内容.该频率计采用简捷的信号放大硬件设计,使得在应用较少元 件的情况下实现对输入信号的放大.通过硬件和软件的结合,该频率计准确地实现对输入信号频率的计算,能保证在60 MHz以下频段范围内对输入信号的计算 精度达到1 Hz,在0～60 MHz测量频段范围内,该频率计能准确计算幅度大于30 mV输入信号的频率,具有较高的灵敏度.简单实用、精度较高、灵

敏度较高等 特点,使得该频率计能够广泛应用于实验室、高频信号测量等众多应用环境. 8.期刊论文 杨秀增.YANG Xiu-zeng 基于NiosII的自适应高精度频率计设计 -自动化与仪表2009,24(7)

设计了基于NiosII的自适应高精度频率测量系统.介绍了等精度频率测量基本原理,并对等精度频率测量原理进行优化.给出了优化的等精度频率测量原 理图;介绍了等精度测频IP核设计方法,给出此核的verilog HDL程序;采用了频率测量时间最短为原理的自适应算法,使测频时间达到最优.通过分频50MHz的 系统时钟得到各种测试信号,并给出了0.1Hz～50MHz的测试结果.测试结果表明,本系统工作稳定可靠、测频精度高、最大相对误差在10-7级别.

9.学位论文 张前毅 基于CPLD的微波频率计研究 2007

信号频率测量的一般方法，是将被测信号在设定一个高精度较长时间间隔的闸门后进行记数。而现代微波数字频率计是建立在高速分频器或下混频基 础上，把微波频率分频至较低的频率，再对信号进行测频，这种方法称之为计数法测频。测频精度主要决定于闸门的长度及精度。 本课题来源于成都前锋电子厂的雷达综合测试仪中的测频功能，此产品现已交付使用。系统由硬件和软件两部分组成。首先采用高速分频器，把输入 频率接一定比例进行分频，然后采用大规模可编程逻辑器件[CPLD]和高性能的单片机，进行数据运算、处理、功能控制和结果显示。在实际测量中，应用 了自适应技术，自动变换闸门时间，使全范围内等精度测量。在采用150MHZ钟频时，测量精度定可达10<'-9>。为了更一步提高测量精度，本文在理论上提 出了用鉴相技术进一步提高测量精度，这种方法未见国内外文献报道。 计数法测频是用时间换取精度。但在电子对抗及军用电子侦察系统中，要测量短时间信号频率，这称之为瞬时测频技术。本文对一技术进行理论讨论 ，并由另一硕士研究生完成了硬件任务。 论文最后给出了系统的测量结果，并对误差进行了一定分析，结果表明，系统达到设计指标。 10.期刊论文 欧阳乔.OUYANG Qiao 基于单片机和CPLD的高精度频率计设计 -装备制造技术2009,\

介绍了利用CPLD进行测频计数,单片机实施控制实现多功能频率计的设计电路的方法.利用等精度的设计方法,克服了基于传统测频原理的频率计的测量 精度随被测信号频率的下降而降低的缺点,利用CPLD来实现频率、周期、脉宽和占空比的测量计数,利用单片机完成整个测量电路的测试控制、数据处理;显 示输出部分也由CPLD来完成. 引证文献(7条) 1.章津楠.张长胜.郭清成 一种简单方法实现基于STC89C52RC单片机的频率计[期刊论文]-福建电脑 2009(1) 2.张丽.许海 电力系统测控装置的抗干扰技术研究[期刊论文]-国外电子测量技术 2008(7) 3.李桂平.黄有全 基于AT89C51的节拍器设计[期刊论文]-国外电子测量技术 2008(5) 4.李妃文.高大鹰.刘献.黄美林 织布机梭子飞行实验专用频闪仪的研制[期刊论文]-五邑大学学报（自然科学版） 2007(4) 5.党存禄.张晓英.杨新华 基于单片机和CPLD的同步发电机自动准同期装置中频率测量[期刊论文]-电子测量技术 2007(12) 6.桂玲.向诚.张海良 跳频检测中快速测频系统的设计[期刊论文]-电子测量技术 2007(10) 7.王丽霞.程小辉.龚幼民 基于LM331的频率计[期刊论文]-仪表技术与传感器 2007(9)

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