基于单片机的等精度数字测频装置的原理及实现

1、基于单片机的等精度数字测频装置的原理及实现p应用与设计基于单片机的等精度数字测频装置的原理及实现武汉大学陈一新AnEqual-PrecisionDigitalFrequencyMeterBasedonMonlithicMicrocomputer£ÈÅιÉØÉÎ摘要提出了一种基于单片机的等精度数字测频装置的实现方案"介绍了利用单片机的内部计数器和程序运算功能进行等精度频率测量和显示的实现方法"给出了测量原理和装置的设计思想最后讨论了装置的性能指标"关键词单片机等精度分类号&#

2、180;-“测频浮点运算文章编号”文献标识码¢传统的数字频率计具有位或更多位的数码显示位数"这些频率计在测量高频信号时能够达到足够高的测量精度但在测量低频信号时其测量结果的有效位数将会减少精度也会相应降低有时不得不进行周期测量因为传统的频率计采用的是直接测频法"如果输入信号频率的动态范围较大为了保证其测量精度就需要频繁地人工切换测频和测周方式"而这两种方式的显示单位又不同这就给观察频率的连续变化带来极大的不便"而本文提出的基于单片机的等精度数字测频装置是利用单片机的内部计数器和程序运算功能来进行等精度频率测量和显示的因此不需要其它的测量辅助电路

3、"当输入信号频率大幅度变化时该测量装置能以相同的有效位数来测量和显示信号频率及其变化"nT0g=10/f由于闸门时间是固定的所以对于任意的ÆØ却不能保证在´Ç时间内正好有®个´Ø因此会产生最大?个´Ø的量化误差Ä®"这样可得到直接方式测频的相对误差为ÄÆÆ®®ÄÆÆØØÄ其中Ä通常可ÆÆ为晶体振荡器的频率准确度达*&#

4、196;®®为计数值的相对误差"当输入信号频率ÆØ很低时由于闸门时间有限而测得的®很小因此使得测频误差相应增大测量精度也随之降低"这是直接测频方式的固有缺陷"等精度数字测频原理等精度数字测频的基本框图如图所示"图中直接方式测频原理直接方式测频的一般原理框图如图所示"它的闸门§!§分别用来控制输入信号周期计数和闸门时间宽度计时"其中闸门§与输入信号同步这样可使计数器®®的量化误差Ä"计数器®对标准时标信号周期

5、´Ã进行计数并以此来测量实际的闸门宽度´Ç"其输入信号的频率可表示为fx=N1/T1/(TcN2)g=N是利用计数器在闸门§开启期间对输入信号的周期进行计数来完成测频的"若设计数值为®则输入信号的频率可表示为/Tfx=Ng标准时标信号也由晶体振荡器产生它具有足够的周期稳定度可看作常数"因此ÆØ的相对误差为式中闸门时间宽度´Ç由晶体振荡器产生的标准频率Æ即经过Î级分频得到图直接方式数字测频原理图等精度数字测频原理5国外电子元器件6年第”期年”月&#

6、196;fx/fx=ÄN1/N1-ÄN2/N2=-(ÄN2/N2)允许"当´计数满溢出时可在Ô时刻产生´中断记录自身的中断次数Î再次开放©®´的中断允许"´溢出后将从开始继续计数直到Ô“时刻由输入信其中Ä®为计数器®产生的量化误差最大为在实际设计中选择适当的时标周期´Ã和?个´Ã"闸门宽度´Ç可使®Ø的全频段始终足够大并在Æ范围

7、内得到足够多的有效位数的显示结果"号产生第二次©®´中断然后关闭´和´以完成一次测量过程"´中的计数值代表了输入信号完整的®个周期"设´中的/剩余0读数为®"则被测信号的频率可由下式计算ƓήÆÏÓýخ»“基于单片机的等精度数字测频方案-£³系列单片机具有两个位的定时器计数器´和´它们可分别代替图中的计数器

8、74;和®单片机的外部中断功能可方便地实现闸门开关与被测信号的跳变沿同步利用单片机的数据运算能力可编制相应的乘除法程序并实现测量结果的等精度显示"等精度数字测频装置的最简方案如图“所示"其软件流程和波形时序分别如图”和图所示"设在Ô时刻系统开始进行初始化´和´分别设置为计数图所示的输入信号频率相对较高"在一次测量过程中只中断一次而其间有多个输入信号脉冲"如果信号频率很低´将多次溢出中断闸门的启闭取决于相邻的两个信号脉冲"由此可见测量闸门的时间宽度是自动可变的最长为低频信号的一个周期最短

9、为“´Ã"实际上闸门时间可表示为´Ç®´Ø器和定时器来对输入信号和时标信号进行计数它们的初始值均为"时标信号的频率在单片机内固定为ÆÃÆÏÓÃÆÏÓÃ为单片机的时钟频率"外部中断©®´通常可设置为边沿触发开放©®´和´的中断其中®"上式是等精度数字测频的一个重要数字特征"测量完成后系统将从´

10、;和´读出计数值并计算出Æ为了保证计算精度和数据的有效位数可采Ø"用浮点乘除法运算"其数据可由三个字节表示其中阶码占一个字节尾数占两个字节可表示的数据动态范围为?*"在此范围内其显示精度决定于尾数的分辨率"因其尾数为两个字节故显示分辨率接近进制的位数"由于浮点运算结果需再转换为多个单字节的¢£¤码才能由输出数码管显示"转换后的十进制浮允许"在Ô输入信号的跳变沿产生第一次©®´时刻中断时开放´和´的计数闸门并

11、关闭自身的中断图“等精度测频原理图点数阶码决定着数码管上小数点的位置"这相当于在测量过程中进行量程的自动切换另外该装置还可在输入频率范围内保证相同的有效位数"测量装置的测频上限为ÆÏÓÔ"当采用”-¨Ú的时钟时测频上限为-¨Ú因此该系统可满足低频信号的测量需要"对于更高的信号频率可在输入整形器和单片机之间插入预分频器以将信号频率降低到-¨Ú以下"测频下限并无限制"测量装置的无调整精度优于”*它主图”测频软件流程图要取决于单片机驱动时钟

12、频率ÆÏÓÃ的准确度"在要求较高的测量精度时可用标准频率计来校正ÆÏÓÃ以使之达到标称频率"而对于一般的工程测试则无需对ÆÏÓÃ进行调整"”图测频波形时序图结束语本文介绍的等精度频率计充分利用了单片机本全速µ³¢控制芯片³¬的应用p应用与设计全速µ³¢控制芯片³¬的应用威海北洋电气集团公司徐发荣张涛ApplicationofFullSpeedUSB

13、ControllerSL11¸Õ¦ÁÒÏÎǺÈÁÎÇ´ÁÏ摘要介绍了³£¡®¬¯§©£公司生产的全速µ³¢控制芯片³¬的特点!功能及其应用方法"给出了³¬和单片机的接口连接电路同时给出了³¬的µ³¢列举和标准命令传输的

14、程序清单和¢µ¬«数据收发过程的主要工作流程图"关键字µ³¢控制分类号´°“³¬¢µ¬«数据收发文献标识码¢文章编号”“通道"片内所带的字节²¡-区可分成两个部分即控制寄存器部分和数据缓冲器部分"数据缓冲部分为“个”字节的缓冲区其中一个用于控制通道的收发数据缓冲另两个可以用作其它数据通道的数据缓冲"该器件具有乒乓°©®§°

15、75;®§数据传输功能可以充分利用µ³¢的高速数据传输能力来提高传输速度"³¬可以和任何£°µ!¤³°相连接"它具有脚°¬££和”脚¬°±¦°两种封装形式"图为其脚°¬££封装的引脚排列图"概述µ³¢接口近两年在计算机领域得到了迅速的应用"它是一种带宽为-&#

16、194;Ó*”-ÂÓ的通用串行总线主要用于将外设按菊花链的方式连接到微机上可连接多达个外围设备如外部£¤²¯-驱动器!打印机!扫描仪!调制解调器!鼠标和键盘等"而且有可能在不久以后由µ³¢取代所有外设接口"由于利用µ³¢可实现热插拔和即插即用功能同时它连接简单!灵活性强并可多数据流工作"因此目前不少设备带有µ³¢接口"³¬是美国³£¡®&

17、#172;¯§©£公司生产的支持全速³¬的硬件结构³¬中的寄存器可分为两部分其中一部分为传输的µ³¢控制芯片它符合µ³¢规范并支持上传¤-¡数据方式"³¬一个用于带有”个通道控制通道一个用于¤-¡传输通道还有个通用身的软硬件资源"除了显示数码管以外该装置再不需要其它的外部电路整个装置显得非常简洁"如果进行多路信号频率的测量则可利用单片机的多机通信功能将待测数据集中传送到上位机进行统一显示和处理"而这些都是非单片机型的等精度测频装置难以实现的"在笔者研制的/水机电联合过渡过程数据采集系统0中设计时应用上述等精度测频原理来采集多路旋浆流速信号和水轮机的转速信号取得了良好的应用效果"由于该数据采集系统的测量速度较快同时又具有较高的测量精度因此可及时反映流速和转速的波动情