基于單片機的等精度數(shù)字測頻裝置的原理及實現(xiàn)

1、基于單片機的等精度數(shù)字測頻裝置的原理及實現(xiàn)p應用與設計基于單片機的等精度數(shù)字測頻裝置的原理及實現(xiàn)武漢大學陳一新AnEqual-PrecisionDigitalFrequencyMeterBasedonMonlithicMicrocomputer£ÈÅιÉØÉÎ摘要提出了一種基于單片機的等精度數(shù)字測頻裝置的實現(xiàn)方案"介紹了利用單片機的內部計數(shù)器和程序運算功能進行等精度頻率測量和顯示的實現(xiàn)方法"給出了測量原理和裝置的設計思想最后討論了裝置的性能指標"關鍵詞單片機等精度分類號&#

2、180;-“測頻浮點運算文章編號”文獻標識碼¢傳統(tǒng)的數(shù)字頻率計具有位或更多位的數(shù)碼顯示位數(shù)"這些頻率計在測量高頻信號時能夠達到足夠高的測量精度但在測量低頻信號時其測量結果的有效位數(shù)將會減少精度也會相應降低有時不得不進行周期測量因為傳統(tǒng)的頻率計采用的是直接測頻法"如果輸入信號頻率的動態(tài)范圍較大為了保證其測量精度就需要頻繁地人工切換測頻和測周方式"而這兩種方式的顯示單位又不同這就給觀察頻率的連續(xù)變化帶來極大的不便"而本文提出的基于單片機的等精度數(shù)字測頻裝置是利用單片機的內部計數(shù)器和程序運算功能來進行等精度頻率測量和顯示的因此不需要其它的測量輔助電路

3、"當輸入信號頻率大幅度變化時該測量裝置能以相同的有效位數(shù)來測量和顯示信號頻率及其變化"nT0g=10/f由于閘門時間是固定的所以對于任意的ÆØ卻不能保證在´Ç時間內正好有®個´Ø因此會產(chǎn)生最大?個´Ø的量化誤差Ä®"這樣可得到直接方式測頻的相對誤差為ÄÆÆ®®ÄÆÆØØÄ其中Ä通常可ÆÆ為晶體振蕩器的頻率準確度達*&#

4、196;®®為計數(shù)值的相對誤差"當輸入信號頻率ÆØ很低時由于閘門時間有限而測得的®很小因此使得測頻誤差相應增大測量精度也隨之降低"這是直接測頻方式的固有缺陷"等精度數(shù)字測頻原理等精度數(shù)字測頻的基本框圖如圖所示"圖中直接方式測頻原理直接方式測頻的一般原理框圖如圖所示"它的閘門§!§分別用來控制輸入信號周期計數(shù)和閘門時間寬度計時"其中閘門§與輸入信號同步這樣可使計數(shù)器®®的量化誤差Ä"計數(shù)器®對標準時標信號周期

5、´Ã進行計數(shù)并以此來測量實際的閘門寬度´Ç"其輸入信號的頻率可表示為fx=N1/T1/(TcN2)g=N是利用計數(shù)器在閘門§開啟期間對輸入信號的周期進行計數(shù)來完成測頻的"若設計數(shù)值為®則輸入信號的頻率可表示為/Tfx=Ng標準時標信號也由晶體振蕩器產(chǎn)生它具有足夠的周期穩(wěn)定度可看作常數(shù)"因此ÆØ的相對誤差為式中閘門時間寬度´Ç由晶體振蕩器產(chǎn)生的標準頻率Æ即經(jīng)過Î級分頻得到圖直接方式數(shù)字測頻原理圖等精度數(shù)字測頻原理5國外電子元器件6年第”期年”月&#

6、196;fx/fx=ÄN1/N1-ÄN2/N2=-(ÄN2/N2)允許"當´計數(shù)滿溢出時可在Ô時刻產(chǎn)生´中斷記錄自身的中斷次數(shù)Î再次開放©®´的中斷允許"´溢出后將從開始繼續(xù)計數(shù)直到Ô“時刻由輸入信其中Ä®為計數(shù)器®產(chǎn)生的量化誤差最大為在實際設計中選擇適當?shù)臅r標周期´Ã和?個´Ã"閘門寬度´Ç可使®Ø的全頻段始終足夠大并在Æ范圍

7、內得到足夠多的有效位數(shù)的顯示結果"號產(chǎn)生第二次©®´中斷然后關閉´和´以完成一次測量過程"´中的計數(shù)值代表了輸入信號完整的®個周期"設´中的/剩余0讀數(shù)為®"則被測信號的頻率可由下式計算ƓήÆÏÓýخ»“基于單片機的等精度數(shù)字測頻方案-£³系列單片機具有兩個位的定時器計數(shù)器´和´它們可分別代替圖中的計數(shù)器

8、74;和®單片機的外部中斷功能可方便地實現(xiàn)閘門開關與被測信號的跳變沿同步利用單片機的數(shù)據(jù)運算能力可編制相應的乘除法程序并實現(xiàn)測量結果的等精度顯示"等精度數(shù)字測頻裝置的最簡方案如圖“所示"其軟件流程和波形時序分別如圖”和圖所示"設在Ô時刻系統(tǒng)開始進行初始化´和´分別設置為計數(shù)圖所示的輸入信號頻率相對較高"在一次測量過程中只中斷一次而其間有多個輸入信號脈沖"如果信號頻率很低´將多次溢出中斷閘門的啟閉取決于相鄰的兩個信號脈沖"由此可見測量閘門的時間寬度是自動可變的最長為低頻信號的一個周期最短

9、為“´Ã"實際上閘門時間可表示為´Ç®´Ø器和定時器來對輸入信號和時標信號進行計數(shù)它們的初始值均為"時標信號的頻率在單片機內固定為ÆÃÆÏÓÃÆÏÓÃ為單片機的時鐘頻率"外部中斷©®´通?？稍O置為邊沿觸發(fā)開放©®´和´的中斷其中®"上式是等精度數(shù)字測頻的一個重要數(shù)字特征"測量完成后系統(tǒng)將從´

10、;和´讀出計數(shù)值并計算出Æ為了保證計算精度和數(shù)據(jù)的有效位數(shù)可采Ø"用浮點乘除法運算"其數(shù)據(jù)可由三個字節(jié)表示其中階碼占一個字節(jié)尾數(shù)占兩個字節(jié)可表示的數(shù)據(jù)動態(tài)范圍為?*"在此范圍內其顯示精度決定于尾數(shù)的分辨率"因其尾數(shù)為兩個字節(jié)故顯示分辨率接近進制的位數(shù)"由于浮點運算結果需再轉換為多個單字節(jié)的¢£¤碼才能由輸出數(shù)碼管顯示"轉換后的十進制浮允許"在Ô輸入信號的跳變沿產(chǎn)生第一次©®´時刻中斷時開放´和´的計數(shù)閘門并

11、關閉自身的中斷圖“等精度測頻原理圖點數(shù)階碼決定著數(shù)碼管上小數(shù)點的位置"這相當于在測量過程中進行量程的自動切換另外該裝置還可在輸入頻率范圍內保證相同的有效位數(shù)"測量裝置的測頻上限為ÆÏÓÔ"當采用”-¨Ú的時鐘時測頻上限為-¨Ú因此該系統(tǒng)可滿足低頻信號的測量需要"對于更高的信號頻率可在輸入整形器和單片機之間插入預分頻器以將信號頻率降低到-¨Ú以下"測頻下限并無限制"測量裝置的無調整精度優(yōu)于”*它主圖”測頻軟件流程圖要取決于單片機驅動時鐘

12、頻率ÆÏÓÃ的準確度"在要求較高的測量精度時可用標準頻率計來校正ÆÏÓÃ以使之達到標稱頻率"而對于一般的工程測試則無需對ÆÏÓÃ進行調整"”圖測頻波形時序圖結束語本文介紹的等精度頻率計充分利用了單片機本全速µ³¢控制芯片³¬的應用p應用與設計全速µ³¢控制芯片³¬的應用威海北洋電氣集團公司徐發(fā)榮張濤ApplicationofFullSpeedUSB

13、ControllerSL11¸Õ¦ÁÒÏÎǺÈÁÎÇ´ÁÏ摘要介紹了³£¡®¬¯§©£公司生產(chǎn)的全速µ³¢控制芯片³¬的特點!功能及其應用方法"給出了³¬和單片機的接口連接電路同時給出了³¬的µ³¢列舉和標準命令傳輸?shù)?/p>

14、程序清單和¢µ¬«數(shù)據(jù)收發(fā)過程的主要工作流程圖"關鍵字µ³¢控制分類號´°“³¬¢µ¬«數(shù)據(jù)收發(fā)文獻標識碼¢文章編號”“通道"片內所帶的字節(jié)²¡-區(qū)可分成兩個部分即控制寄存器部分和數(shù)據(jù)緩沖器部分"數(shù)據(jù)緩沖部分為“個”字節(jié)的緩沖區(qū)其中一個用于控制通道的收發(fā)數(shù)據(jù)緩沖另兩個可以用作其它數(shù)據(jù)通道的數(shù)據(jù)緩沖"該器件具有乒乓°©®§°

15、75;®§數(shù)據(jù)傳輸功能可以充分利用µ³¢的高速數(shù)據(jù)傳輸能力來提高傳輸速度"³¬可以和任何£°µ!¤³°相連接"它具有腳°¬££和”腳¬°±¦°兩種封裝形式"圖為其腳°¬££封裝的引腳排列圖"概述µ³¢接口近兩年在計算機領域得到了迅速的應用"它是一種帶寬為-&#

16、194;Ó*”-ÂÓ的通用串行總線主要用于將外設按菊花鏈的方式連接到微機上可連接多達個外圍設備如外部£¤²¯-驅動器!打印機!掃描儀!調制解調器!鼠標和鍵盤等"而且有可能在不久以后由µ³¢取代所有外設接口"由于利用µ³¢可實現(xiàn)熱插拔和即插即用功能同時它連接簡單!靈活性強并可多數(shù)據(jù)流工作"因此目前不少設備帶有µ³¢接口"³¬是美國³£¡®&

17、#172;¯§©£公司生產(chǎn)的支持全速³¬的硬件結構³¬中的寄存器可分為兩部分其中一部分為傳輸?shù)?#181;³¢控制芯片它符合µ³¢規(guī)范并支持上傳¤-¡數(shù)據(jù)方式"³¬一個用于帶有”個通道控制通道一個用于¤-¡傳輸通道還有個通用身的軟硬件資源"除了顯示數(shù)碼管以外該裝置再不需要其它的外部電路整個裝置顯得非常簡潔"如果進行多路信號頻率的測量則可利用單片機的多機通信功能將待測數(shù)據(jù)集中傳送到上位機進行統(tǒng)一顯示和處理"而這些都是非單片機型的等精度測頻裝置難以實現(xiàn)的"在筆者研制的/水機電聯(lián)合過渡過程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)0中設計時應用上述等精度測頻原理來采集多路旋漿流速信號和水輪機的轉速信號取得了良好的應用效果"由于該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的測量速度較快同時又具有較高的測量精度因此可及時反映流速和轉速的波動情