高精度數顯頻率測量儀的方案設計

鄭暉暉

摘 要隨著科學技術和計算機技術的快速發展，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，被普遍的應用在控制領域中，鑒于以上原因，我們設計基于單片機的高精度頻率測量儀，提出了該設計的任務與要求，基于任務與要求設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計方案。

【關鍵詞】高精度 頻率測量儀 設計方案

隨著科學技術和計算機技術的快速發展，頻率的測量顯得越來越重要，例如：導彈發射、測量定位、天文等領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。

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

1 頻率測量儀的應用范圍較為廣泛

可以概括為以下4個方面 ：

（1）在傳統的電子測量儀器中，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，采用數字頻率測試儀具有良好的測量精度、穩態誤差小和測量速度快等特點。故頻率計被廣泛應用于電子測量儀器領域。

（2）在傳統的生產制造企業中，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的晶體振蕩器所輸出的頻率值。在生產制造業中，利用頻率測量儀，能夠及時發現控制系統晶體振蕩器的工作狀態，在一定程度上，提高了產品的生產質量。

（3）在脈沖信號的實驗過程中，頻率測量儀被廣泛的應用在晶體振蕩器的校準中。

（4）在無線通信領域中，頻率測量儀主要應用在以下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，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和游標法。

（2）針對“頻標”對比的各個技術，例如：比相法等。上述測量技術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秒內所變化的次數把他們叫頻率。可以把它設定在固定的時間距離中，進行待測信號波形改變的次數，并能夠通過顯示部件顯示計數的實際結果，來獲得待測信號的頻率值。

鑒于以上原因，我們設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，設計的任務與要求為：

（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 方案設計

基于以上任務與要求設計出方案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/計數器功能完成在單位時間內頻率的計算工作，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顯示器采用動態顯示的方法顯示出來。其設計方案是：信號放大電路→信號整形電路→單片機控制→數字顯示電路。

方案2：這個的核心單元是數字器件，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，計數的電路，鎖存的電路，顯示譯碼的

電路等。采用方案2的數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計，并且對設計的方案進行論證。

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/計數器功能完成在單位時間內頻率的計算工作，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/計數器功能開動，來完成對待測信號的計數。利用軟件編程，完成頻率計數的顯示工作。

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，計數的電路，鎖存的電路，和顯示譯碼的電路等，核心單元是數字器件。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計數工作。

4 方案的選擇

如上所述，將方案1和方案2進行對比不難發現，方案2采用了較多的數字邏輯器件，電路連接繁瑣，工作原理復雜，硬件調試麻煩。假設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、程序編譯調試方便。基于上述比較，本文選擇方案1作為頻率測量儀設計方案。

參考文獻

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作者單位

無錫機電高等職業技術學校 江蘇省無錫市 214000