基于單片機的等精度頻率計設計

0 引言
隨著微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，特別是單片微機的出現(xiàn)和發(fā)展，使傳統(tǒng)的電子測量儀器在原理、功能、精度及自動化水平等方面都發(fā)生了巨大的變化，形成一種完全突破傳統(tǒng)概念的新一代測量儀器。頻率計廣泛采用了高速集成電路和大規(guī)模集成電路，使儀器在小型化、耗電、可靠性等方面都發(fā)生了重大的變化。傳統(tǒng)的頻率計測量誤差較大，等精度頻率計以其測量準確、精度高、方便等優(yōu)勢將得到廣泛的應用。
傳統(tǒng)的測頻方法有直接測頻法和測周法[1]，在一定的閘門時間內(nèi)計數(shù)，門控信號和被測信號不同步，計數(shù)值會產(chǎn)生一個脈沖的誤差。等精度測頻法采用門控信號和被測信號同步，消除對被測信號計數(shù)產(chǎn)生的一個脈沖的誤差。等精度頻率測量方法消除了量化誤差，可以在整個測試頻段內(nèi)保持高精度不變，其精度不會因被測信號頻率的高低而發(fā)生變化。采用單片機作為控制核心的等精度頻率計，可以充分利用單片機軟件編程技術(shù)實現(xiàn)等精度測頻。通過單片機對同步門的控制，使被測信號和標準信號在閘門時間內(nèi)同步測量，為了提高精度，將電子計數(shù)功能轉(zhuǎn)為測周期，采用多周期同步測量技術(shù)，實現(xiàn)等精度測量。
1等精度頻率計的測量原理
1．1等精度頻率計的測量原理

基于傳統(tǒng)測頻原理的頻率計的測量精度將隨被測信號頻率的變化而變化。傳統(tǒng)的直接測
頻法其測量精度將隨被測信號頻率的降低而降低，測周法的測量精度將隨被測信號頻率的升高而降低，在實用中有較大的局限性，而等精度頻率計不但具有較高的測量精度，而且在整個頻率區(qū)域能保持恒定的測試精度。
等精度頻率的測量原理圖1所示[2]。頻率為fx的被測信號經(jīng)通道濾波、放大、整形后
輸入到同步門控制電路和主門1（閘門），晶體振蕩器的輸出信號作為標準信號（時基信號）輸入到主門2。被測信號在同步控制門的作用下，產(chǎn)生一個與被測信號同步的閘門信號，被測信號與標準信號（時基信號）在同步門控制信號的控制下。在同步門打開時通過同步門分別輸入到事件計數(shù)器和時間計數(shù)器的信號輸入端，計數(shù)器開始計數(shù)。同步門關閉時信號不能通過主門，計數(shù)器停止計數(shù)，單片機發(fā)出命令讀入計數(shù)器的數(shù)值，并進行數(shù)據(jù)處理，將處理后的結(jié)果送顯示。
等精度頻率測量方法是采用多周期同步測量。如圖1的測量原理圖所示由單片機發(fā)出預置門控信號GATE，GATE的時間寬度對測頻精度影響較少，可以在較大的范圍內(nèi)選擇，即在高頻段時，閘門時間較短；低頻時閘門時間較長。實現(xiàn)了全范圍等精度測量，減少了低頻測量的誤差。
在同步門的控制下，一方面保證了被測信號和時基信號的同步測量；另一方面在同步門打開后計數(shù)器并不是馬上計數(shù)，而是在被測信號的下一個上升沿開始計數(shù)，同步門關閉后計數(shù)器也不是馬上停止計數(shù)，而是在被測信號的下一個上升沿停止計數(shù)。即在實際閘門時間計數(shù)，從而提高了測量精度。
由于采用D觸發(fā)器實現(xiàn)的同步門的同步作用，事件計數(shù)器所記錄的Nx值已不存在誤差的影響，但由于時鐘信號與閘門的開和關無確定的相位關系，時間計數(shù)器所記錄的N0的值仍存在±1誤差的影響，只是由于時鐘頻率很高，誤差的影響很小。所以在全頻段的測量精度是均衡的,從而實現(xiàn)等精度頻率測量。
1．2 等精度頻率計計數(shù)測量誤差

2 等精度測頻的硬件電路設計及測量過程