基于單片機(jī)89C51制作的頻率計(jì)的設(shè)計(jì)方法，
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當(dāng)上述測量判斷過程直到計(jì)數(shù)閘門寬度達(dá)到1 s（對應(yīng)的頻率測量范圍為100～999 Hz）時(shí)測量結(jié)果仍不具有3位有效數(shù)字，頻率計(jì)則使用定時(shí)方法測量待測信號的周期。定時(shí)／計(jì)數(shù)器的工作被設(shè)置為定時(shí)器方式，定時(shí)／計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)寄存器清0，在判斷待測信號的上跳沿到來后，運(yùn)行控制位TR置為1，以單片機(jī)工作周期為單位進(jìn)行計(jì)數(shù)，直至信號的下跳沿到來，運(yùn)行控制位TR清0，停止計(jì)數(shù)。16位定時(shí)／計(jì)數(shù)器的最高計(jì)數(shù)值為65 535，當(dāng)待測信號的頻率較低時(shí)，定時(shí)／計(jì)數(shù)器將發(fā)生溢出。產(chǎn)生溢出時(shí)，程序進(jìn)入定時(shí)器中斷服務(wù)程序，對溢出次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)。待測信號的周期由3個(gè)字節(jié)組成：定時(shí)／計(jì)數(shù)器溢出次數(shù)、定時(shí)／計(jì)數(shù)器的高8位和低8位。信號的頻率f與信號的周期T之間的關(guān)系為： f＝1／T
完成信號的周期測量后，需要做一次倒數(shù)運(yùn)算才能獲得信號的頻率。為提高運(yùn)算精度，采用浮點(diǎn)數(shù)算術(shù)運(yùn)算。浮點(diǎn)數(shù)由3個(gè)字節(jié)組成：第1字節(jié)最高位為數(shù)符，其余7位為階碼；第2字節(jié)為尾數(shù)的高字節(jié)；第3字節(jié)為尾數(shù)的低字節(jié)。待測信號周期的3個(gè)字節(jié)定點(diǎn)數(shù)通過截取高16位、設(shè)置數(shù)符和計(jì)算階碼轉(zhuǎn)換為上述格式的浮點(diǎn)數(shù)。然后浮點(diǎn)數(shù)算術(shù)運(yùn)算對其進(jìn)行處理，獲得用浮點(diǎn)數(shù)格式表達(dá)的信號頻率值。再通過浮點(diǎn)數(shù)到BCD碼轉(zhuǎn)換模塊把用浮點(diǎn)數(shù)格式表達(dá)的信號頻率值變換成本頻率計(jì)的顯示格式，送到顯示模塊顯示待測信號的頻率值。完成顯示后，頻率計(jì)都開始下一次信號的頻率測量。系統(tǒng)軟件流程圖如圖2所示。
系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)方法。整個(gè)系統(tǒng)由初始化模塊、顯示模塊和信號頻率頻率測量模塊等各種功能模塊組成。上電后，進(jìn)入系統(tǒng)初始化模塊，系統(tǒng)軟件開始運(yùn)行。在執(zhí)行過程中，根據(jù)運(yùn)行流程分別調(diào)用各個(gè)功能模塊完成頻率測量、量程自動切換、周期測量和測量結(jié)果顯示。
5 實(shí)測結(jié)果和誤差分析
為了衡量這次設(shè)計(jì)的頻率計(jì)的工作情況和測量精度，我們對系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)。以南京電訊儀器廠制造的E312B型通用計(jì)數(shù)器為基準(zhǔn)，用這次設(shè)計(jì)的頻率計(jì)對信號源進(jìn)行了測量，測量數(shù)據(jù)如表1所示。
如圖1信號預(yù)處理電路所示，待測信號在進(jìn)入單片機(jī)之前經(jīng)過了10×2次分頻。頻率計(jì)以進(jìn)入單片機(jī)時(shí)的信號頻率＝100 Hz為基準(zhǔn)（即待測信號頻率為2 kHz），大于此頻率采用頻率測量，小于此頻率采用周期測量。由表1頻率測量對比表可以看出，頻率測量的測量精度大于周期測量的測量精度。
采用計(jì)數(shù)法實(shí)現(xiàn)頻率測量，誤差來源主要有計(jì)數(shù)誤差和閘門誤差2部分。誤差表達(dá)式為：
其中：N為計(jì)數(shù)值，t為閘門時(shí)間。
閘門時(shí)間相對誤差dt／t主要取決于單片機(jī)晶振的頻率穩(wěn)定度，選擇合適的石英晶體和振蕩電路，誤差一般可＜10－6。當(dāng)僅顯示3位有效數(shù)字時(shí)，該項(xiàng)誤差可以忽略。對于dN／N部分，無論閘門時(shí)間長短，計(jì)數(shù)法測頻總存在1個(gè)單位的量化誤差。在表1中，待測信號頻率＞2 kHz時(shí)的誤差就來源于計(jì)數(shù)誤差。增加顯示的有效數(shù)字位數(shù)可降低該項(xiàng)誤差的影響。
當(dāng)待測信號頻率＜2 kHz時(shí)，直接測量的是信號的周期。周期測量的誤差表達(dá)式為：
其中：dN／N為量化誤差，dτ0／τ0為單片機(jī)晶振的頻率穩(wěn)定度。
進(jìn)行周期測量時(shí)進(jìn)入單片機(jī)的信號頻率＜100 Hz，使用12 MHz時(shí)鐘時(shí)的最小計(jì)數(shù)值為10 000。當(dāng)僅顯示3位有效數(shù)字時(shí)，該項(xiàng)誤差現(xiàn)在也可以忽略。待測信號的周期測量值通過浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算變換成頻率值，這時(shí)的誤差來源于浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算和數(shù)制轉(zhuǎn)換所帶來的誤差。
6 結(jié) 語
介紹了一種基于單片機(jī)89C51制作的頻率計(jì)的設(shè)計(jì)方法，所制作的頻率計(jì)需要外圍器件較少，適宜用于嵌入式系統(tǒng)。該頻率計(jì)應(yīng)用周期測量和相應(yīng)的數(shù)學(xué)處理實(shí)現(xiàn)低頻段的頻率測量，因此很容易擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)信號的周期測量和占空比測量。該頻率計(jì)被應(yīng)用于筆者設(shè)計(jì)的“高頻實(shí)驗(yàn)裝置”之中，用來對LC振蕩器和RC振蕩器輸出信號的頻率穩(wěn)定度進(jìn)行測量，取得良好的應(yīng)用效果。
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