在電子技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)，頻率是一個最基本的參數(shù)，頻率與其它許多電參量的測量方案，都有十分密切的關(guān)系。因此，頻率的測量就顯得更為重要，而且，目前在電子測量中，頻率的測量精確度。
1. 電子計數(shù)測頻原理框圖
1
首先，被測信號通過放大整形，形成幅度一致，形狀一致是計數(shù)脈沖。然后，n將它加到閘門的一個輸入端，閘門由門控信號來控制其關(guān)閉時間。計得的脈沖送至譯碼，再送顯示器顯示出來。而由晶振產(chǎn)生的1mhz的振蕩信號經(jīng)放大整形，形成方波，經(jīng)多個10分頻10s，1s，0.1s，0.01s，1ms，那么有fx=n／t符合測頻定義。根據(jù)f=n／t。不難看出，采用計數(shù)器測頻的測量誤差，一方面決定于閘門時間t準(zhǔn)不準(zhǔn)確，即由晶振提供的標(biāo)準(zhǔn)頻率的準(zhǔn)確度△t／t=-(△fo／fo)；另一方面決定于計數(shù)器計得的數(shù)準(zhǔn)不準(zhǔn)，即±1誤差，△n／n=±1／n=±(1／○xtfx)。所以，計數(shù)器直接測頻的誤差主要有兩項，即±1誤差和標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差。測低頻時，由于±1誤差產(chǎn)生的測頻誤差大得驚人，所以不宜采用直接測頻方法。由于fx較低時，利用計數(shù)器直接測頻，由±1誤差所引起的測頻誤差將會大到不可允許的程度。所以，為
了提高測量低頻時的準(zhǔn)確度，即減少±1誤差的影響，可改成先測周期tx，然后計算fx=1／tx。
2. 電子計數(shù)器測周期原理
tx經(jīng)放大整形控制雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器形成門控信號，控制閘門的開閉；然后晶搌產(chǎn)生的1mhz的振蕩信號，經(jīng)放大整形形成方波，產(chǎn)生幅度一致，形狀一致是計數(shù)脈沖。當(dāng)閘門打開時，對計數(shù)脈沖進行計數(shù)；閘門關(guān)閉時，停止計數(shù)。計得的脈沖送譯碼，送顯示。
3. 單片機定時器工作原理
8xx51單片機的定時器t1由th1，tl1組成，定時器t0由th0，tl0組成。它們均為八位寄存器，映射在特殊功能寄存器中，占地址8ah、8bh。它們用于存放定時或計數(shù)的初始值。此外，內(nèi)部還有一個八位的方式選擇寄存器tmod和一個八位的控制寄存器tcon，占地址89h和88h，用于選擇定時器／計數(shù)器的工作方式，如計數(shù)還是定時(c／-t)，啟動的方式(gate)及發(fā)啟動控制信號trx。
定時和計數(shù)實質(zhì)都是對脈沖的計數(shù)，只是被計的脈沖的來源不同，定時方式的計數(shù)初值和被計脈沖的周期有關(guān)，而計數(shù)方式的計數(shù)初值只和被計脈沖的個數(shù)有關(guān)(計由高到低的邊沿數(shù))。
1
q
8031單片機內(nèi)含有兩個16位可編程定時／計數(shù)器。均可編程對內(nèi)部機器周期計數(shù)(定時方式)，或?qū)ν獠恳_輸入的脈沖進行計數(shù)(計數(shù)方式)。cpu工作于12mhz主頻時，外部計數(shù)頻率500khz，內(nèi)部時鐘計數(shù)頻率達1mhz。定時器的基準(zhǔn)定時脈沖周期為1μs，當(dāng)采用測頻方式時，t／c0編程為計數(shù)方式，對被測信號頻率計數(shù)，產(chǎn)生欲置的檢測時間。由于定時器最長的定時時間為65535s，欲產(chǎn)生更長的檢測時間需使用軟件計數(shù)器，中斷多次即可獲得所需檢測時間。被測頻率較低時，則選用測周方式；t／c1編程為定時方式，用來對m個輸入脈沖周期所經(jīng)歷的時間計時。
4. 等精度測量原理框圖
微處理器的主要優(yōu)點之一是可以利用微處理器的數(shù)據(jù)處理能力，減少測量過程中產(chǎn)生的隨機誤差和系統(tǒng)誤差，從而提高測量精度，所以往往把單片機運用在電子測量過程中，來提高測量精度。
1
實現(xiàn)等精度測量原理，關(guān)鍵是使nx不產(chǎn)生誤差，而no不超過±1誤差。利用pc機總線技術(shù)，設(shè)計了相應(yīng)的控制門電路，實現(xiàn)對被測頻率信號的計數(shù)及相應(yīng)的精確閘門時間，并使閘門的開啟與關(guān)閉和被測信號的有效跳變同步。
預(yù)置門的打開和關(guān)閉由被測信號和預(yù)置的測量時間控制，計數(shù)器nx在預(yù)置門的控制下對被測信號頻率計數(shù)，控制門根據(jù)預(yù)置門產(chǎn)生一個與被測信號同步的同步門；計數(shù)器no在同步門的控制下對時標(biāo)計數(shù)，得到精確的閘門時間tg。設(shè)時標(biāo)周期為to，則被測頻率fx=nx／noto。
單片機采用定時ls的測頻法先對信號進行預(yù)測，軟件根據(jù)頻率高低自動選擇檢測時間或周期擴展倍數(shù)，以保證各檔都有較高測量精度。當(dāng)輸入信號頻率超過100khz時，信號經(jīng)擴展計數(shù)器分頻后送入8031按測頻法測量，頻率檢測時間設(shè)有三檔，分別為0.01s、0.1s、1s。在轉(zhuǎn)入周期測量后，信號直接送入單片機，周期擴展倍數(shù)有104、103、102、10、1五檔。
由于單片機的計數(shù)頻率為500khz，限制了測頻范圍，必須對高頻進行分頻。擴展n分頻器后，將會產(chǎn)生分頻誤差。這個n分頻將導(dǎo)致(n-1)個待測頻率周期的分頻誤差。該誤差量級與±l誤差相當(dāng)，甚至更大。為了提高測頻分辨率，我們采用了硬件同步分頻技術(shù)，即在閘門開啟的有效上升沿時刻，對74ls591分頻器清零。在閘門關(guān)閉時刻，將分頻狀態(tài)打入總線緩沖器74ls244，8031通過緩沖器讀出其值，從而消除了分頻誤差?！?br>在本系統(tǒng)中，t／c1編程為定時方式時，在12mhz晶振下其定時時間只有65.536ms，需采用軟件來擴展計數(shù)器的容量。即計數(shù)器每溢出中斷一次，片內(nèi)ram的內(nèi)容加一計數(shù)，這樣大大擴了單片機的計數(shù)范圍。但同時也引入了中斷響應(yīng)的時間誤差，我們稱之為軟件誤差。頻率計的核心是時間基準(zhǔn)的正確性，因此在中斷后重置定時器時間常數(shù)時，不能簡單地采用重置辦法。從單片機的中斷響應(yīng)系統(tǒng)及其響應(yīng)過程可知：(1)定時器每次溢出中斷時，wait語句必須執(zhí)行完才能響應(yīng)，該條指令的執(zhí)行時間為2μs，我們?nèi)∑淦骄舆t時間為1μs；(2)cpu響應(yīng)中斷到執(zhí)行中斷服務(wù)程序首條指令至少需3個完整的機器周期，即延時3μs；(3)中斷服務(wù)程序中實際的定時時間是在執(zhí)行完時間常數(shù)的裝載指令后才開始，兩條裝載指令占用4μs。根據(jù)以上分析。每次中斷后，將延遲約8μs后才開始定時。實際獲得的定時時間必須考慮到8μs的延遲，該頻率計采用軟件補償?shù)奶幚矸椒▉斫档推溆绊?。由于軟件修正相?dāng)方便在儀器調(diào)試中可作進一步的調(diào)整，因此基本上可消除軟件誤差。
頻率計根據(jù)被測信號頻率的大小，軟件控制自動切換頻率檢測時間，或自動轉(zhuǎn)換為周期測量，其軟件設(shè)計采用
模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，程序設(shè)計與調(diào)試都很方便，功能擴充也很靈活。單片機上電復(fù)位后，首先執(zhí)行主程序，完成有關(guān)芯片和定時器的初始化，設(shè)置數(shù)據(jù)緩沖區(qū)、顯示方式、數(shù)據(jù)計數(shù)器初值及頻率初測方式等。開中斷后，隨時檢測外部中斷和定時器所發(fā)出的中斷請求信號，一旦有則轉(zhuǎn)入相應(yīng)的中斷服務(wù)程序，否則返回顯示程序，顯示所測的頻率值。
5. 結(jié)束語
本文通過比較以往電子計數(shù)測頻原理、電子計數(shù)測周期原理的分析，結(jié)合單片機定時／計數(shù)器的工作原理，給出了等精度測量原理以及軟件誤差的消除方法。實現(xiàn)起來簡單可靠且性能穩(wěn)定、精度高、性價比低等優(yōu)點。