1 系統(tǒng)測(cè)量原理

測(cè)量方法采用多周期同步測(cè)量法，保證了測(cè)量精度。

多周期同步測(cè)量原理與傳統(tǒng)的頻率和周期的測(cè)量原理不同，時(shí)鐘信號(hào)(f0)經(jīng)同步電路作用后與被測(cè)信號(hào)同步。主門(mén) 與主門(mén) 在時(shí)間T 內(nèi)被同時(shí)打開(kāi)，于是計(jì)數(shù)器 和計(jì)數(shù)器 便分別對(duì)被測(cè)信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)的周期數(shù)進(jìn)行累計(jì)。在T內(nèi)，事件計(jì)數(shù)器的累加數(shù)為Na；時(shí)間計(jì)數(shù)器的累加數(shù)為Nb。再由單片機(jī)運(yùn)算得出被測(cè)頻率為（Na/Nb）×f。由于D觸發(fā)器的同步作用，計(jì)數(shù)器 所記錄的Na值已不存正負(fù)1誤差的影響。但由于時(shí)鐘信號(hào)與閘門(mén)的開(kāi)和關(guān)無(wú)確定的相位關(guān)系，計(jì)數(shù)器 所記錄的Nb值仍存在正負(fù)1誤差的影響，由于時(shí)鐘頻率很高，正負(fù)1誤差影響小，所以測(cè)量精度與被測(cè)信號(hào)頻率無(wú)關(guān)，且在全頻段的測(cè)量精度是均衡的。

圖1 系統(tǒng)測(cè)量原理框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

在頻率計(jì)設(shè)計(jì)中，硬件電路采用了8051單片機(jī)、雙四位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS393、緩存器74LS244、8155帶RAM和定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的可編程并行接口芯片、16K程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展芯片2716、十倍分頻器74s196、反向器74ls14、反向驅(qū)動(dòng)器7406、7407等。所采用的芯片技術(shù)成熟，性能可靠，性?xún)r(jià)比較高。

系統(tǒng)硬件主要由四部分組成:通道部分、計(jì)數(shù)器部分、單片機(jī)控制和接口部分、顯示部分。

2.1通道部分

本頻率計(jì)的輸入通道由兩部分組成，第一部分就是常見(jiàn)的信號(hào)預(yù)處理電路，包括對(duì)被測(cè)信號(hào)的放大、整形、濾波等等。第一級(jí)由開(kāi)關(guān)三極管構(gòu)成的零偏置放大器，三極管采用開(kāi)關(guān)三極管以保證放大器具有良好的高頻響應(yīng)。第二級(jí)是由74LS14施密特觸發(fā)器構(gòu)成的電路。施密特觸發(fā)器一方面起到整形作用，用于把放大器生成的單相脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成與TTl/CMOS兼容的方波信號(hào)。另一方面其滯后帶寬可以有效抑制信號(hào)中的干擾。第三級(jí)是由74ls196構(gòu)成的分頻器電路。本機(jī)設(shè)計(jì)測(cè)頻范圍20HZ～100MHZ，當(dāng)被測(cè)頻率大于10 MHZ時(shí)，需經(jīng)分頻電路分頻后再送入計(jì)數(shù)器電路。第四級(jí)是由4N25構(gòu)成的光電隔離電路，用于把輸入的電信號(hào)轉(zhuǎn)化為光信號(hào)進(jìn)行傳輸，從而把測(cè)量電路與外界干擾隔開(kāi)，能有效地保證測(cè)量精度。

第二部分是同步門(mén)電路，它的作用是保證被測(cè)信號(hào)和頻率基準(zhǔn)信號(hào)同時(shí)進(jìn)入測(cè)量電路。其構(gòu)成主要包括由與門(mén)組成的主門(mén)I和主門(mén)II，以及由D觸發(fā)器構(gòu)成的同步門(mén)控制電路，主門(mén)I控制被測(cè)信號(hào)fx的通過(guò)，主門(mén)II控制時(shí)鐘信號(hào)f的通過(guò)。

2.2計(jì)數(shù)器部分

計(jì)數(shù)器包括時(shí)間計(jì)數(shù)器和事件計(jì)數(shù)器兩部分，它們是完全相同的計(jì)數(shù)電路。分別由前后兩級(jí)組成，前級(jí)電路由高速的TTL計(jì)數(shù)器74LS393構(gòu)成八位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器；后級(jí)由單片機(jī)內(nèi)的計(jì)數(shù)器構(gòu)成十六位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器。計(jì)數(shù)前，先由P1.3發(fā)計(jì)數(shù)器清零信號(hào)，計(jì)數(shù)后通過(guò)74LS244 緩沖器將測(cè)量結(jié)果讀入內(nèi)存。這樣設(shè)計(jì)既充分利用了硬件資源，又大大提高了測(cè)量頻率范圍。

圖2 計(jì)數(shù)器電路圖

2.3 單片機(jī)控制和接口部分

8051單片機(jī)的任務(wù)是進(jìn)行整機(jī)測(cè)量過(guò)程的控制、故障的自動(dòng)檢測(cè)以及測(cè)量結(jié)果的處理與顯示等。

P1口與P2 口被用于施加各種控制信號(hào)，其中：P1.0 作為預(yù)置閘門(mén)時(shí)間的控制線(xiàn)；P1.1作為同部門(mén)控制電路的復(fù)位信號(hào)線(xiàn)；P1.2用于查詢(xún)閘門(mén)時(shí)間的狀態(tài)線(xiàn)；P1.3作為計(jì)數(shù)器復(fù)位信號(hào)線(xiàn)。

單片機(jī)內(nèi)部有兩個(gè)16位二進(jìn)制定時(shí)/計(jì)數(shù)器，用做兩個(gè)主計(jì)數(shù)器的一部分，并通過(guò)T0,T1分別與外部事件計(jì)數(shù)器和時(shí)間計(jì)數(shù)器的進(jìn)位端相接。外部的時(shí)間計(jì)數(shù)器和事件計(jì)數(shù)器的測(cè)量結(jié)果分別通過(guò)擴(kuò)展輸入口與P0口相連。

8155作為單片機(jī)的擴(kuò)展I/O口，主要用來(lái)與顯示電路接口， 8155內(nèi)部的14 位計(jì)數(shù)器被用來(lái)作為本機(jī)的閘門(mén)時(shí)間計(jì)數(shù)器，定時(shí)器的輸入信號(hào)取自單片機(jī)ALE端；定時(shí)器的輸出與單片機(jī)的INT1相連，作為中斷信號(hào)。

2.4 顯示部分

采用8 位LED數(shù)碼管進(jìn)行顯示。這是一個(gè)較為典型的采用8155并行口組成的顯示電路。八位LED顯示采用了動(dòng)態(tài)顯示軟件譯碼工作方式。LED顯示器選用共陰極，段碼由8155PA口提供，位選碼8155PB口提供。其中7406反向驅(qū)動(dòng)器做作為位選碼驅(qū)動(dòng)器，這是因?yàn)?155PB口正邏輯輸出的位控與共陰極LED要求的低電平點(diǎn)亮正好相反，即當(dāng)PB口位控線(xiàn)輸出高電平時(shí)，點(diǎn)亮一位LED。7407是同相驅(qū)動(dòng)器，作段選碼驅(qū)動(dòng)器。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件采用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)，應(yīng)用模塊化設(shè)計(jì)方法，主要包括中斷監(jiān)控服務(wù)程序，數(shù)值比較子程序，數(shù)據(jù)處理子程序，十進(jìn)制轉(zhuǎn)換子程序，LED顯示子程序。主流程圖如下：

圖3 程序主流程圖

程序編寫(xiě)較難的部分是數(shù)據(jù)處理部分，它涉及到多字節(jié)的乘除法。因?yàn)槌藬?shù)和被乘數(shù)各為三字節(jié)，因此需要進(jìn)行九次乘法運(yùn)算，得到九個(gè)部分積。我們知道MUL AB 指令，把累加器A和寄存器B中的兩個(gè)無(wú)符號(hào)8位數(shù)相乘，所得的16位乘積結(jié)果，低位字節(jié)放在A中，高位字節(jié)放在B中。假定部分積的高字節(jié)以“H ”為標(biāo)志，部分積的低字節(jié)以“L”為標(biāo)志，還要對(duì)相加產(chǎn)生的進(jìn)位進(jìn)行處理。  

下圖為乘法的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程的示意圖：

圖4 乘法運(yùn)算示意圖

乘法運(yùn)算程序的關(guān)鍵段如下:

   MOV A，R6

   MOV B，R3  

   MUL AB             ；得第一次部分積

   MOV O8H，A         ；得乘積的第六字節(jié)

   MOV 09H，B         ；R3R6H

   MOV A，R6

   MOV B，R2    

   MUL AB             ；得第二次部分積

   ADD A,O9H          ；R3R6H+R2R6L

   MOV 0BH，A

   CLR A

   ADDC A，B          ；R2R6H+C

   MOV OAH，A

   MOV A，R6

   MOV B，R1

   MUL AB             ；得第三次部分積

   ADD A，0AH         ；R2R6H+R1R6L

   MOV OCH，A

   CLR A

   ADDC A，B          ；R1R6H+C

4 結(jié)束語(yǔ)

該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，與傳統(tǒng)的電路相比，該系統(tǒng)處理速度快、穩(wěn)定性高，采用多周期同步測(cè)量法實(shí)現(xiàn)全頻段的頻率精確測(cè)量，具有較高的性?xún)r(jià)比。

本文的創(chuàng)新觀點(diǎn)是計(jì)數(shù)器和定時(shí)器分別由前后兩級(jí)組成，前級(jí)電路由高速的TTL計(jì)數(shù)器74LS393構(gòu)成八位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器；后級(jí)由單片機(jī)內(nèi)的計(jì)數(shù)器構(gòu)成十六位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，大大提高了頻率計(jì)的測(cè)量范圍。

參考文獻(xiàn)

[1]李光第，朱月秀等 . 單片機(jī)基礎(chǔ)[M] . 北京航空航天大學(xué)出版社，2004

[2]李朝青. 單片機(jī)原理及接口技術(shù)設(shè)計(jì)[M] . 北京航空航天大學(xué)出版社，2003

[3]趙茂泰. 智能儀器原理及應(yīng)用[M] . 電子工業(yè)出版社，2004

[4]赫建國(guó)，劉建新等 . 基于單片機(jī)的頻率計(jì)設(shè)計(jì)[J] 西安郵電學(xué)院學(xué)報(bào)，2003

[5]曹柏榮，林士瑋 . 基于單片機(jī)的康復(fù)儀研究[J] 微計(jì)算機(jī)信息， 2006，2-1：21-23。