任务5.6频率计的设计介绍.doc

5.6 频率计的设计 5.6.1任务介绍 频率计在教学、科研、测量仪器、工业控制等方面都有广泛的应用。在单片机应用系统中，经常需要对一个连续脉冲的频率（周期）进行测量。在实际应用中，对于转速、位移、速度、流量等物理量的测量，一般也是先由传感器转换成脉冲信号，然后再测量频率的方式来实现。 本节的任务要求是： 开发板上有一个频率发生器，能够产生250Hz～256KHz的方波。利用单片机的定时器测量方波的频率或者周期。 5.6.2知识准备 1、测频法 频率的定义为：单位时间内完成周期性变化的次数，是描述周期运动频繁程度的量。单片机要完成周期信号的频率测量，根据频率的定义，初学者首先能想到的方法是利用51单片机的1个定时/计数器产生单位时间，然后在单位时间内利用利用另外1个定时/计数器对外界脉冲进行计数。这种方法称为“测频法”。但测频法不是万能的，适合测量高频信号。图5.6.1说明了测频的原理及误差产生的原因。 图5.6.1 测频法误差来源 在图5.6.1中，假设时基信号为1Hz，则用此法测得的待测信号为7Hz。但从图中可以看出，待测信号的频率应为为7.7Hz，误差约有7/7.7=9.1%。这个误差是比较大的。实际上，测量的脉冲个数的误差会在±1之间。假设测得的脉冲个数为N，则测量频率的误差最大为δ=1/（N-1）×100%。显然，减少误差的方法，就是增大N。举个例子，假设测频精度为0.1%，所测信号的频率为10Hz，为了达到测量的准确度，时基信号的长度超过100S，显然这是不可行的。因此得出一个初步的结论：测频法只适合于测量高频信号。 2、测周法 测频法不适用于低频信号的测量，低频信号的测量通常采用测周法。测周法顾名思义就是测量脉冲信号的周期，周期与频率呈倒数的关系，求得脉冲信号的周期，频率也就求出来了。51单片机测量脉冲信号的周期，也需要用到2个定时/计数器，其中1个定时/计数器用来对脉冲信号进行计数，另外一个定时/计数器用来测量计数时间内的时间长度。举个例子：定时/计数器0对外接脉冲计数，方式2，自动重装模式，TL0=246，每来10个脉冲，定时/计数器0溢出一次。另外一个定时/计数器从溢出后开始计量时间，到下一次溢出后停止计量时间，这是时间差值就是10个脉冲的周期，然后再除以10，就是一个脉冲的周期。 有了对测频法误差来源的分析，就不难得到测周法误差的来源。脉冲频率越低，周期越长，则测周法的精度越高。 3、频率发生器 开发板上的固定脉冲信号是由数字芯片CD4060产生的。CD4060是14位二进制串行计数器/分频器。开发板中CD4060的晶振是4.096MHz，经过14级分频后，输出10路分频信号（Q4～Q14）。开发板只引出了6路分频信号（125Hz、500Hz、2KHz、8KHz、64KHz、128KHz），电路如图5.6.2所示。 图5.6.2 CD4060构成的频率发生器 5.6.3 任务实施 任务实施中分别给出测频法的实现程序和测周法的实现程序。 测频法程序实现 测频法程序的工程结构图如图5.6.3所示。Seg7Display.c负责将测量的频率在数码管上显示，共6位数码管。FreqMeasure.c是频率测量模块。 5.6.3 测频程序工程结构图 主函数 Main.c: 测频模块 FreqMeasure.h: FreqMeasure.c 程序解释： ① 测频程序用到了2个定时/计数器，定时/计数器0用来对脉冲计数，16位计数器，方式1模式；定时/计数器1用来产生时基信号（1秒），8位定时器，方式2。 ② 在定时/计数器0的中断函数中，记录溢出次数，如果1S内外接脉冲个数超过65536，则定时/计数器0会溢出。定时/计数器1主要用于产生1秒的时基信号，1秒到，则一次测频完成。定时/计数器0的初值为0，如果定时/计数器0在1S内没有溢出，则外接脉冲的个数=TH0*256+TL0。如果溢出了，则外接脉冲的个数=溢出次数*65536+TH0*256+TL0。计算出频率值后，定时/计数器0的初值和溢出次数要重新置0，