高精度數(shù)顯頻率測量儀的方案設(shè)計

鄭暉暉

摘 要隨著科學(xué)技術(shù)和計算機技術(shù)的快速發(fā)展，頻率的測量顯得越來越重要，測量頻率的精度也越來越高，而單片機體積小、可靠性高、價格便宜，被普遍的應(yīng)用在控制領(lǐng)域中，鑒于以上原因，我們設(shè)計基于單片機的高精度頻率測量儀，提出了該設(shè)計的任務(wù)與要求，基于任務(wù)與要求設(shè)計出方案一和方案二，并對這兩種方案進行了論證比較，最終選擇方案一作為設(shè)計方案。

【關(guān)鍵詞】高精度 頻率測量儀 設(shè)計方案

隨著科學(xué)技術(shù)和計算機技術(shù)的快速發(fā)展，頻率的測量顯得越來越重要，例如：導(dǎo)彈發(fā)射、測量定位、天文等領(lǐng)域都要求完成對頻率的測量。近年來，頻率測量精度的要求越來越嚴格，而且必須要求越來越精確的時間、頻率標準和測量技術(shù)。

在電子測量中，最基本的測量頻率的方法有：計數(shù)法、測周法。伴隨著科學(xué)技術(shù)和測量技術(shù)的快速發(fā)展，各種新的測量方法會不斷顯現(xiàn)出來。其中，最具代表性的有：多周期同步的頻率測量方法、游標法和模擬內(nèi)插法等。

1 頻率測量儀的應(yīng)用范圍較為廣泛

可以概括為以下4個方面 ：

（1）在傳統(tǒng)的電子測量儀器中，是采用示波器來完成待測信號的頻率測量，用示波器所測得的頻率精度較低，且具有較大的誤差。數(shù)字顯示的頻率測量儀可以準確地完成待測信號的頻率測量，一方面具有良好的測量精度，另一方面具有較快的測量速度。綜上所述，采用數(shù)字頻率測試儀具有良好的測量精度、穩(wěn)態(tài)誤差小和測量速度快等特點。故頻率計被廣泛應(yīng)用于電子測量儀器領(lǐng)域。

（2）在傳統(tǒng)的生產(chǎn)制造企業(yè)中，也廣泛的使用了頻率測量儀。由于頻率測量儀具有較快的測量速度，主要用來捕捉控制系統(tǒng)的晶體振蕩器所輸出的頻率值。在生產(chǎn)制造業(yè)中，利用頻率測量儀，能夠及時發(fā)現(xiàn)控制系統(tǒng)晶體振蕩器的工作狀態(tài)，在一定程度上，提高了產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量。

（3）在脈沖信號的實驗過程中，頻率測量儀被廣泛的應(yīng)用在晶體振蕩器的校準中。

（4）在無線通信領(lǐng)域中，頻率測量儀主要應(yīng)用在以下2方面：能夠測量本地校準無線通信基站的工作時鐘頻率；可以調(diào)制信號，射頻跳頻信號的測量。

目前，頻率測量一般選用了2種技術(shù)，即：

（1）“測量范圍寬，多周期同步的方法，模擬和插值方法的基礎(chǔ)和游標法。

（2）針對“頻標”對比的各個技術(shù)，例如：比相法等。上述測量技術(shù)都具有良好的測量精度、誤差小和較快的測量速度。

通常情況下，在單位時間的周期信號，也就是1秒內(nèi)所變化的次數(shù)把他們叫頻率?？梢园阉O(shè)定在固定的時間距離中，進行待測信號波形改變的次數(shù)，并能夠通過顯示部件顯示計數(shù)的實際結(jié)果，來獲得待測信號的頻率值。

鑒于以上原因，我們設(shè)計基于單片機的高精度頻率測量的儀器，它采用直接測量頻率的方法。但對于低頻段的測量，需要利用“測周法”來達到頻率測量的目的，設(shè)計的任務(wù)與要求為：

（1）測量頻率的范圍：10HZ～10KHZ。

（2）輸入的波形：能形成需要的頻率脈沖的信號，輸出的方波，矩形波，幅度是5V。

（3）測量誤差≤1Hz。

2 方案設(shè)計

基于以上任務(wù)與要求設(shè)計出方案1和方案2：

方案1：該方案的核心控制模塊為單片機，主要是利用單片機的定時器/計數(shù)器功能完成在單位時間內(nèi)頻率的計算工作，并利用信號整形和放大電路完成對待測信號的處理。所測得的頻率值，通過LED顯示器采用動態(tài)顯示的方法顯示出來。其設(shè)計方案是：信號放大電路→信號整形電路→單片機控制→數(shù)字顯示電路。

方案2：這個的核心單元是數(shù)字器件，主要組成部件有：時基集成電路，邏輯控制的電路，信號擴大、整形的電路，計數(shù)的電路，鎖存的電路，顯示譯碼的

電路等。采用方案2的數(shù)字頻率測量儀的原理圖，如圖1所示。

3 方案的論證

本文不僅對該方案進行了設(shè)計，并且對設(shè)計的方案進行論證。

方案1的論證：該方案的核心控制模塊為單片機，主要是利用單片機的定時器/計數(shù)器功能完成在單位時間內(nèi)頻率的計算工作，并利用信號整形和放大電路完成對待測信號的處理。起初讓被測的信號進入放大電路、經(jīng)過整形電路，讓所得到的脈沖信號送給單片機，單片機的定時器/計數(shù)器功能開動，來完成對待測信號的計數(shù)。利用軟件編程，完成頻率計數(shù)的顯示工作。

方案2的論證：該策劃重要組成部件有：時基集成電路，邏輯的控制電路，信號擴大、整形的電路，計數(shù)的電路，鎖存的電路，和顯示譯碼的電路等，核心單元是數(shù)字器件。具體的工作原理是：待測信號需要通過信號放大、信號整形電路進入閘門電路，在待測期間，只有利用時基集成電路所形成閘門的脈沖信號來打開主門后，經(jīng)過整理后的輸入信號才能順利通過主門進入測量儀來實現(xiàn)計數(shù)工作。

4 方案的選擇

如上所述，將方案1和方案2進行對比不難發(fā)現(xiàn)，方案2采用了較多的數(shù)字邏輯器件，電路連接繁瑣，工作原理復(fù)雜，硬件調(diào)試麻煩。假設(shè)需要對頻率較高的脈沖信號進行測量，需要外接分頻電路，投入資金較多。而方案1的核心控制模塊為是單片機，外接的元器件少，測量簡單、程序編譯調(diào)試方便?；谏鲜霰容^，本文選擇方案1作為頻率測量儀設(shè)計方案。

參考文獻

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作者單位

無錫機電高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校 江蘇省無錫市 214000