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简易数字频率计

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简易数字频率计

论文摘要：

本系统用单片机 89C51 为核心,设计了能够测量频率、周期、脉宽和占空

比的简易数字频率计。本系统包括前端放大整形、分频处理和单片机数据处理

三大模块。前级放大整形模块采用 74HC04 做放大器对信号进行放大；分频处

理模块提高测量的频率范围；单片机数据处理模块利用软件分频的方法，克服

了±1 误差在高低频段精度不等的缺陷，提高了测量系统的精度。

本系统实现了测量频率、周期、脉宽和占空比的测量要求，且测量的频率

可以达到 0.1Hz—10MHz。频率和周期的测量误差小于 0.01%，脉宽的测量

误差小于 1%。基本完成了任务设计的要求。

引言

设计并制作一台简易的数字显示频率计。

基本要求：对幅度为 0.5V—5V，频率为 1Hz—1MHz 的正弦波和方波信

号进行频率和周期的测量，测量误差≤0.1%。能对幅度为 0.5—5V，脉冲宽度

≥100μS 的脉冲波进行测量，测量误差≤1%。

发挥部分：扩展频率测量范围为 0.1Hz—10MHz（信号幅度 0.5V—

比较以上三种方案，都有一个共同就是为了提高系统的测量精度和灵敏度，

三中方案都使用了小信号放大整形电路。但是每个方案各有不同，方案一由于

电路复杂，系统实现起来不方便，而且调试困难。对于方案二从系统设计的测

量范围 0.1Hz—10MHz，以频率下限 0.1Hz 来说，要达到误差<0.01%的目的，

必须显示 5 位的有效数字，而使用直接测频的方法，要达到这个测量精度，需

要主门连续开启 10000s，由此可见，直接测频方法对低频测量是不现实的，而

采用带有运算器的单片机则可以很容易地解决这个问题，实现课题的要求。也

就是对低频信号采用先测信号的周期，然后在通过单片机求周期倒数的方法，

从而得到我们所需要的低频信号的测量精度。另外由于使用了功能较强的

89C51 芯片，使本系统可以通过对软件改进而扩展功能，提高测量精度，因此

我们选用方案三作为具体实施的方案。

二．测量原理

1．频率测量

由于单片机具有程序运算功能，且频率为周期的倒数，使频率测量与周期

测量可以互通。按照频率的定义，即单位时间内周期信号的发生次数，通过参

考晶体振荡提供了测量的时间基准，分频后通过控制电路去开启与关闭时间闸

门。闸门开启时，经放大整形后的测量信号进入计数器进行计数，闸门关闭时，

停止计数。若闸门开放时间为 T

g

,计数值为 N，则被测频率 f

x

=N/T

g

。

测频的框图如图 3 所示。

图 3 测频框图

用这种频率测量原理，对于频率较低的被测信号来说，存在着测量实时性

与测量精度之间的矛盾，由分频系数 M=T

g

/T

r

（T

r

为参考晶振的周期）本身是

没有误差的（若电路工作正常的话），测量误差主要由以下两种因数产生的：

计数误差和参考晶体振荡的误差，也即

为减小第二项误差，可采用高精度的参考晶体振荡器。对于第一项误差为

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