ＦｅＬＬＯＷＭＥ 鼹 窜 ●镰 作者／赵亮 上两讲介绍并应用了单片机驱动液晶原理，并给出了实 触发进行计数（见图１），也可以称作计数法。被测信号是一 串计数脉冲（实际中应通过放大整形等到１，将它加到闸门的 例。这一讲将介绍如何利用单片机实现测量频率，并结合前讲 的液晶显示来实现一个频率计。通过该讲，读者可以掌握测频 的基本原理与常用方法，并利用单片机来实现测频。 个输入端，闸门由门控信号来控制其关闭时间。将单位门控 时间内计得的脉冲送至处理器处理，再经显示器显示。如图ｌ 中，定义被测信号的频率为Ｆｘ，闸门开启时间为ＴＷ，在这段时间 原理简介 众所周知，在电子技术领域内，频率是一个很基本的参 内所计量得到的脉冲个数为Ｎｘ，则被测信号频率可以表示为： Ｆｘ＝Ｎｘ，Ｔｗ。 （１） 不难看出，采用计数的测频方法的测量误差，～方面决定 数，频率与其它许多电参量的测量方案，都有着十分密切的关 系。例如电压一频率转换、电流一频率转换。因此，频率的测 量就显得更为重要，测频也是最基本的电子测量技术。一般来 说，频率测量所需要的接口简单，占用资源少，可只用一路计 数器直接计数或者用中断输入接口触发中断，然后在中断服务 程序中再对脉 中进行计数。总而言之，对频率信号的测量具有 于闸门时间Ｔ准不准确，即由晶振提供的标准频率的准确度； 另一方面决定于计数器计得的数准不准。所以，计数测频方法 的误差主要有两项，即标准频率误差和计数值误差。在测量高 频时，计数值误差引起的测频误差相对较小，所以这种方法比 较适合高频信号的测量。但测低频时，由于计数值误差产生的 测频误差大得惊人，所以不宜采用直接测频方法。 灵活的输入方式。另一方面，对频率信号的各种参数测量也有 重要的意义，如周期，高低电平等。在这里介绍下在实际项目 应用中常用的两种单片机测量频率的方法。 此外，从公式（１）中可以看出，要得到频率Ｆｘ，必须知 道Ｔｗ，和Ｎｘ，常用的方法是先已知道其中的一个量，然后对另 外一个量进行测量。例如将５１单片机中的一个定时器用于得到 １．测频法 测频法是指在一定的时司内直接对信号的边沿触发或电平 标准时间的闸门信号１ｗ，用外部中断或端口捕获的方法接入信 号，对交变信号进行计数，从而得到ＮＸ。举例来说，如果Ｔｗ为 １ Ｓ。则得到的频率即为脉冲个数Ｎｘ。 ＦｅＬＬＯＷＭＥ 闸门 闸门 被测信号 —一 ｆ ｓ——————— 』 被测信号 ——一Ｎｗ———————— ｌ ｌ ｉ …………………Ｉ： 基准信号 测周法示意图 一 频率信号（方波）经过限流电阻Ｒ１ ３后输入到单片机Ｐ３．５端口 上，其中二极管ＶＤ１ ０￣ＤＶＤＩ １用于限幅，防止外部频率过高损 坏单片机ＩＯ口。５１单片机的Ｐ３．５管脚除了可以当做普通ＩＯ外， 还可以作为外部计数器２的输入，因为可以在本电路上进行单 片机普通ＩＯＤ进行捕获测频和外部计数器计数两种方法进行频 率测量。 此外，为了显示方便和结合前几讲液晶显示实例，本讲电 路图中采用了１６０２液晶进行显示。 皇 ＿颚 …………………ｉ程序设计 ２．测周法 在前文提到，在对低频信号进行测量时，如果还采用测频 法，会导致由计数值引起的巨大误差。因此，在低频时通常使 用测周法，即利用信号的一个周期作为时间闸门信号，在这个 信号周期对单片机内部的已知脉冲进行计数。如图２所示：其 中基准信号的周期为Ｔｓ，被测信号的周期为ＴＸ，则在被测信号 的一个周期Ｔｘ内，记录基准信号的周期数为Ｎｓ，则被测信号的 频率可以表示为： Ｆｘ＝１／Ｔｘ＝１Ｉ（Ｎｓ Ｘ Ｔｓ） （２） 本讲频率测量需要有外部信号输入，为了达到方便的目 的，可以采用让单片机本身的定时器来产生方波信号，然后用 所产生信号连接到测量端口进行测量。这样在已知频率的情况 下，通过实际的测试显示，从而达到实验和验证的目的。当然 有条件的读者可以采用外接信号源的方法，这样更准确，但是 应当注意的是，所接入的信号应为ＴＴＬ方波或者经变换整形得 到后的方波信号。 关键程序如程序清单。 从公式（２）中可以看出，要得到频率Ｆｘ，应知道Ｔｓｇ１］Ｎｓ。例 如将５１单片机中的一个定时器用于内部计数，其每计一次的周 期时间即为基准信号的周期Ｔｓ（这个由单片机的晶振和指令运 调试要点与实验现象 接好硬件电路，通过冷启动方式将程序所生成的．ｈｅｘ文件 下载到单片机后，复位单片机，然后将频率输出管脚通过跳线 行周期决定），用外部中断或端口捕获的方法接入信号后，在 一接到测频端口或者通过外接信号输入后，可在１６０２液晶上显示 出当前信号的频率值。 值得注意的是，采用单片机自身产生测量频率然后自身测 个被测信号的周期开始和周期结束分别触发，在这个过程中 得到的脉冲个数即为Ｎｘ。 通常情况下当信号频率在１ｋＨｚ以下时，可以采用周期测量 法：当信号频率在１ｋＨｚ以上时，可以采用直接测频法。当然在 试的方法存在不严谨的地方。例如由于单片机外接晶振的不稳 定或其震荡产生的频率与所标注值有差异，这会导致单片机内 部定时器的定时时间出现偏差。此外由于采用Ｃ语言编程，对 实际调试应用可以根据实际情况（如单片机捕获能力、晶振偏 差等）进行微调修改。 每条指令的运行时间如果不进行考虑的话，也会导致定时实际 误差。所以在实际应用时应有标准仪器校正或标准信号测试。 电路详解 如图３中所示，单片机１０Ｒ测频输入电路非常简单，外部 笔者采用外接信号源和采用示波器观察的情况下，发现单 片机无论是输出频率还是测量频率的均有一定的误差，经校正 后，可以提高一定精度。