利用單片機(jī)測(cè)頻率信號(hào)的參數(shù)分析

1．引言

無(wú)論何種類(lèi)型的信號(hào)，連續(xù)的或離散的，有規(guī)律的或無(wú)規(guī)律的，對(duì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)而言，首先得通過(guò)前向通道的調(diào)理，使信號(hào)能夠被機(jī)器所檢測(cè)：高低電平的范圍，時(shí)序的配合、是否需要鎖存、是否需要分頻等等。

測(cè)速、測(cè)V/I、測(cè)相位等一般都要用到頻率信號(hào)，特別是在工業(yè)控制中。很多變送器如電壓、電量變速器，功率、行程變速器等都有頻率信號(hào)或者說(shuō)脈沖信號(hào)的輸出。 頻率信號(hào)抗干擾性能好，適于遠(yuǎn)距離傳送，并且頻率信號(hào)所需的接口簡(jiǎn)單，占用資源少，一般它只占用一路計(jì)數(shù)器接口直接進(jìn)行計(jì)數(shù)或一個(gè)中斷源輸入接口，在中斷服務(wù)程序中對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)然也可利用外部計(jì)數(shù)裝置輸入若干路通用I/O接口中。

總之頻率信號(hào)的測(cè)量具有靈活的輸入方式，對(duì)頻率信號(hào)的各種參數(shù)的測(cè)量有重要的意義。頻率參數(shù)主要包括周期、高低電平的持續(xù)時(shí)間以及占空比。

2．周期的測(cè)量

因?yàn)?周期＝脈沖數(shù)/時(shí)間 ，為了計(jì)算出單位時(shí)間的脈沖數(shù)，首先要有一個(gè)時(shí)間基準(zhǔn)。如果用單片機(jī)的定時(shí)器進(jìn)行定時(shí)則直接接入單片機(jī)內(nèi)的信號(hào)的最高頻率取決于晶振頻率，由于所測(cè)信號(hào)的每一個(gè)脈沖的高低電平要持續(xù)至少一個(gè)機(jī)器周期，即它的周期不得高于2倍的機(jī)器周期；另一方面，一個(gè)機(jī)器周期等于6個(gè)狀態(tài)周期，一個(gè)狀態(tài)周期等于2個(gè)晶振周期。 故有： T待測(cè)=24*T晶振。

2.1低頻信號(hào)周期的測(cè)量 接線示意圖如圖1，前端屬于信號(hào)調(diào)理電路，工作原理是：用一個(gè)計(jì)數(shù)器，一個(gè)定時(shí)器，在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)對(duì)脈沖數(shù)進(jìn)行累加；另一方法是一個(gè)定時(shí)器一個(gè)中斷口，中斷為下降沿觸發(fā)，在中斷程序中計(jì)數(shù)。

很明顯，上述方法所得計(jì)數(shù)值會(huì)受到定時(shí)誤差的影響；在精度要求高的場(chǎng)合可以用外接精密脈沖源的方法來(lái)規(guī)避此誤差。即：使用外部脈沖進(jìn)行比較計(jì)數(shù)時(shí)沒(méi)有定時(shí)原因造成的誤差。如圖2。此時(shí)會(huì)有如下的關(guān)系式： F待測(cè)*COUNT標(biāo)準(zhǔn)=F標(biāo)準(zhǔn) *CONNT待測(cè)

2.2 高頻信號(hào)周期的測(cè)量，圖3是一個(gè)典型的電路

這個(gè)電路中各部分的功能說(shuō)明如下：

AD9686：將非TTL電平信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)門(mén)TL電平,屬于前向調(diào)理電路。

累加器是二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，目的是對(duì)信號(hào)進(jìn)行分頻，MR為清零端。此處用了兩種不同性能的計(jì)數(shù)器，即74LS197和74LS93。其中LS197是四位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，最高計(jì)數(shù)頻率100MHz，它可以進(jìn)行16分頻，如果根據(jù)單片機(jī)的主頻計(jì)算分頻后的頻率仍然高于可測(cè)頻則需繼續(xù)分頻，當(dāng)然對(duì)后面的分頻芯片的最高工作頻率的要求可以降低。各管腳的輸出為：

74LS197的輸出： 74LS93的輸出：
Q1:Fin的2分頻 Q2:Fin的4分頻 Q1:Fin的32分頻 Q2:Fin的64分頻
Q3:Fin的8分頻 Q1:Fin的16分頻 Q3:Fin的128分頻 Q1:Fin的256分頻

本電路采用硬件控制方式，門(mén)控位置”1”時(shí)，74LS00打開(kāi)，待測(cè)脈沖與基準(zhǔn)脈沖同時(shí)進(jìn)入外部硬件計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，延時(shí)一定時(shí)間后，門(mén)控位置0，停止計(jì)數(shù)，根據(jù)此時(shí)的計(jì)數(shù)值我們有如下關(guān)系式： COUNT待測(cè)/F待測(cè)＝COUNT基準(zhǔn)/F基準(zhǔn)根據(jù)需要可只將相應(yīng)的分頻管腳接入單片機(jī)內(nèi)計(jì)數(shù)，也可采用I/O口全部讀入各位分頻腳的方法，由電路的結(jié)構(gòu)，我們知道此電路有模塊化的優(yōu)點(diǎn)。

3 脈沖高電平持續(xù)時(shí)間的測(cè)量

3.1當(dāng)脈沖頻率較高，每周期高電平時(shí)間較短，為了保證精度，需對(duì)N次高電平的時(shí)間值進(jìn)行平均。接線和流程示意圖如下：

3.2當(dāng)脈沖頻率較低時(shí)，意味著高電平持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，此時(shí)可用T0或T1的門(mén)控方式直接計(jì)數(shù)，為了防止從圖5中的B點(diǎn)開(kāi)始計(jì)數(shù)，此時(shí)有兩種方法來(lái)減少誤差：利用軟件的方法：將待測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)非門(mén)接入中斷口，在中斷程序中同時(shí)打開(kāi)門(mén)控方式的定時(shí)，從而保證了從脈沖的上升沿開(kāi)始計(jì)數(shù)；也可用硬件方法確保從A點(diǎn)開(kāi)始，這種方法說(shuō)明如下，采用圖6的JK觸發(fā)器電路，當(dāng)Fin的下降沿到來(lái)時(shí)，C點(diǎn)電位為高，送入INT0的為低電位。

上述方法如果高電平時(shí)間超過(guò)了65535個(gè)計(jì)數(shù)值，則應(yīng)對(duì)TF0標(biāo)識(shí)進(jìn)行判別來(lái)擴(kuò)大計(jì)數(shù)量程。

很顯然，只要脈沖信號(hào)取反輸入，我們就能得到其低電平持續(xù)時(shí)間的測(cè)量方法，此不多述。

4 8098系列單片機(jī)的應(yīng)用

利用定時(shí)器計(jì)數(shù)，測(cè)脈沖的寬度。這種方法和上面的相似：通過(guò)檢測(cè)引腳的上跳變開(kāi)中斷，同時(shí)記錄該時(shí)刻值T1，通過(guò)檢測(cè)引腳的下跳變關(guān)中斷，記錄該時(shí)刻的時(shí)刻值T2，T2 減 T1加上中斷記錄的中斷次數(shù)對(duì)應(yīng)的時(shí)間就等于一個(gè)周期內(nèi)高電平的持續(xù)時(shí)間。

有特色的是使用8098中的HSI部件（高速輸入通道）。通過(guò)引腳輸入脈沖信號(hào)，同時(shí)可以以四種工作方式：正跳變、負(fù)跳變、正負(fù)均跳變、每8個(gè)正跳變觸發(fā)一次的方法記錄事件發(fā)生的時(shí)刻，而不占用CPU的時(shí)間。由于事件發(fā)生的時(shí)間以定時(shí)器T1作為時(shí)間基準(zhǔn)，T1又是每8個(gè)狀態(tài)計(jì)數(shù)一次，每個(gè)狀態(tài)周期是晶振周期的3分頻，所以正負(fù)電平持續(xù)的時(shí)間均應(yīng)大于12倍的晶振周期。當(dāng)頻率過(guò)高時(shí)可以8分頻測(cè)頻，頻率可以直接測(cè)量時(shí)可用兩個(gè)HIS引腳輸入同一信號(hào)，分別記錄正跳變、負(fù)跳變時(shí)刻以及周期個(gè)數(shù)從而算出脈沖周期、正電平時(shí)間、負(fù)電平時(shí)間，進(jìn)一步算出占空比。

5 結(jié)論

用單片機(jī)測(cè)頻，關(guān)鍵在于分頻、同步、計(jì)數(shù)量程這幾點(diǎn)；前述的方法，計(jì)數(shù)口和外部中斷口可互換使用，只是計(jì)數(shù)的實(shí)現(xiàn)不同，這要求輸入的方式做響應(yīng)的變化；測(cè)出了脈沖信號(hào)的高低電位時(shí)間就可以利用單片機(jī)的運(yùn)算功能測(cè)占空比。