0 引言
隨著微電子技術和計算機技術的迅速發(fā)展，特別是單片微機的出現和發(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計數，門控信號和被測信號不同步，計數值會產生一個脈沖的誤差。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產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實現等精度測頻。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同步測量，為了提高精度，將電子計數功能轉為測周期，采用多周期同步測量技術，實現等精度測量。
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
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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器和時間計數器的信號輸入端，計數器開始計數。同步門關閉時信號不能通過主門，計數器停止計數，單片機發(fā)出命令讀入計數器的數值，并進行數據處理，將處理后的結果送顯示。
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器并不是馬上計數，而是在被測信號的下一個上升沿開始計數，同步門關閉后計數器也不是馬上停止計數，而是在被測信號的下一個上升沿停止計數。即在實際閘門時間計數，從而提高了測量精度。
由于采用D觸發(fā)器實現的同步門的同步作用，事件計數器所記錄的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,從而實現等精度頻率測量。
1．2  等精度頻率計計數測量誤差
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2 等精度測頻的硬件電路設計及測量過程
2．1  硬件電路設計
等精度測頻的硬件電路如圖2所示[3] [4]，其主要由以下幾部分組成：單片機控制部分、同步門控制電路、計數和鍵盤與顯示電路。單片機控制部分主要完成測量過程的控制、測量結果的處理和顯示。單片機選用AT89C52，其中P1.0用于控制同步門D觸發(fā)器74LS74 產生同步的閘門信號，P1.2用于對74LS393組成的計數器清零，一次計數完成后單片機通過控制兩片74LS244讀取被測信號與標準信號的低8位計數值，高位計數值在單片機的T0、T1中。然后單片機對計數值進行運算處理，并送出顯示。AT89C52 P1.3、 P1.4、 P1.5和 P1.6用于和串行接口8位LED數碼管及鍵盤控制芯片HD7279A的連接，控制和管理鍵盤及顯示。同步門控制電路主要由D觸發(fā)器74LS74（同步門控制）、六反相器74LS04和二輸入或非門74LS02組成（主門1、主門2）。主門1控制被測信號fx的通過，主門2控制時鐘信號f0的通過，兩門的啟閉都由同步門控制電路控制。計數器包括事件計數器和時間計數器兩部分，它們是兩組完全相同的計數電路。分別由前后兩級組成。前級由雙4位異步計數器74LS393級聯構成八位二進制計數器；后級由AT89C52單片機內的定時/計數器構成十六位二進制計數器。標準信號部分采用10MHz石英晶體振蕩器來提供測量所需要的標準脈沖信號。鍵盤與數碼顯示部分采用串行接口方式8位LED數碼管及64鍵鍵盤管理芯片HD7279A與單片機連接，驅動八位LED共陰極數碼管和鍵盤接口，鍵盤與數碼顯示部分主要完成測量功能的選擇和測量頻率的數據顯示。
2．2  測量過程
AT89C52單片機的P1.3引腳發(fā)出復位信號，使兩個計數器清零，同時P1.1也發(fā)出復位信號，使同步門控制器的500)this.style.width=500;" border="0" />端為低電平，則主門1和主門2都關閉。這時P1.0的初始狀態(tài)為“1”，使D觸發(fā)器的D端為高電平。根據D觸發(fā)器的功能，500)this.style.width=500;" border="0" />端與D端的邏輯狀態(tài)不同，觸發(fā)器處于閉鎖狀態(tài)，這時被測信號即使到達CK端，也不能使其觸發(fā)翻轉，保證了同步門可靠關閉。AT89C52單片機的P1.0從高電平跳到低電平，使D觸發(fā)器的D端為“0”，這樣500)this.style.width=500;" border="0" />端與D端的邏輯狀態(tài)相同，觸發(fā)器解除閉鎖，這時被測信號一旦到達CK端，觸發(fā)器立即翻轉，500)this.style.width=500;" border="0" />由“0”變?yōu)椤?”，于是同步門被打開，被測信號和時間信號分別進入到相應的計數器進行計數。P1.0從高電平跳到低電平的同時，也啟動了計時系統(tǒng)開始計量閘門時間。當預定的閘門時間結束時，使P1.0又從低電平恢復到高電平，D觸發(fā)器再次解除閉鎖。隨后緊跟而來的被測信號再次觸發(fā)D觸發(fā)器使之翻轉，500)this.style.width=500;" border="0" />端由高電平轉為低電平，使同步門關閉，計數器停止計數。
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3 軟件設計
系統(tǒng)軟件的設計主要是和硬件電路相結合，正確地實現等精度測量。整個系統(tǒng)軟件的設計采用了自頂向下的模塊化的結構方式，將各個功能分成獨立模塊，由系統(tǒng)的程序統(tǒng)一管理執(zhí)行。它主要完成各種功能，如測量、 數據運算、顯示等。如圖4所示為頻率測量主程序流程圖，在計數前對計數器清零。然后，發(fā)出命令打開閘門進入閘門時間，計數器在閘門時間內計數。延時子程序結束后，發(fā)出命令關閉閘門使計數器停止計數；單片機再依照程序讀取計數器的值，并與單片機內部計數器所計的值合并在一起。由公式（1），即被測頻率fx=f0×Nx/N0來進行運算，由于精度要求，Nx和N0都由24位二進制數來計數。因此，要在單片機內部進行多字節(jié)無符號二進制數的乘法和除法運算，并將運算結果轉換成BCD碼，顯示運算結果。
4 結束語
本文作者創(chuàng)新點：采用單片機AT89C52作為系統(tǒng)控制單元，輔以適當的軟、硬件資源完成以單片機為核心的等精度頻率計設計，實現頻率的等精度測量。設計采用標準時基信號為10MHz，也可以在晶振部分加一分頻電路，根據不同的被測頻率調整不同的標準信號頻率；等精度頻率計不僅可以測量頻率，還可以測量周期、相位[5]和用于計數，只要編寫相應的程序變可實現相應的功能。經過實驗測試后，等精度頻率計運行可靠；該等精度頻率計可用于工程領域的高速計數場合，預計可以產生20萬元左右的經濟效益。