西安交通大学电子系统实践与设计报告
电容充放电式 、电子计数、电桥法、谐振法、差频法、示波法、拍频法、李沙育图形法、测周期法等等。作为数字电路设计，我们重点从电子计数法中选择测频方法。电子计数法是根据频率定义进行测量的一种方法，它是用电子计数器显示单位时间内通过被测信号的周期个数来实现频率的测量。利用电子计数式测量频率具有精度高、测量范围宽、显示醒目直观、测量迅速，以及便于实现测量过程自动化等一系列优点，总体上其又可分为三种：直接计数测频法、测周法和等精度测评法。
直接测频法：此法是记录在确定时间T内待测信号的脉冲个数Nx ，则待测频率Fx为： Fx=Nx/T （2-1）
显然，时间 T为准确值，测量的精度主要取决于计数的误差。其特点在于：测量方法简单;测量精度与待测信号频率和门控时间有关，当待测信号频率较低时，误差较大。
测周期法：此法是在待测信号的一个周期 Tx内，记录标准频率信号变化次数Ns。这种方法测出的频率是：
Tx=Ns*Ts;Fx=1/Tx;（2-2）
此法的特点是低频检测时精度高，但当高频检测时误差较大。
等精度测频法：前两种测频方法的计数值会不可避免的产生+/-1个字的误差，并且测试精度与计数器中记录的数值Nx或Ns有关。为了保证测试精度，一般对于低频信号采用测周期法；对于高频信号采用测频法，因此测试时很不方便，于是提出等精度测频法。等精度测频方法是在前两种方法上发展来的，它的闸门时间不是固定的值，而是被测信号周期的整数倍，即与被测信号同步，因此消除了对被测信号计数所产生的+/-1个字误差，并且达到了在整个测试频段的等精度测量。
从以上三种方法的原理对比可知等精度测频法最为优越，下面对等精度测法作详细介绍
（1）等精度测频原理波形图
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图3-1等精度测频原理波形图
在测量的过程中，有两个计数器分别对标准信号和被测信号同时计数。首先给出闸门开启信号（与之闸门上升沿），此时计数器并不开始计数，而是要等到被测信号的上升沿到来时，计数器才真正开始计数。然后与之闸门关闭信号（下降沿）到时，计数器并不立即停止计数，而是等到被测信号的上升沿到来时才结束计数，完成一次的测量过程。可以看出，实际闸门时间T与预置门时间t1并不严格相等，但差值不超过被测信号的一个周期，最关键的是此差值不影响最终的频率测量结果。
设在一次闸门时间T中计数器对被测信号的计数值为Nx，对标准信号的计数值为Ns，标准信号的频率为Fs，则被测信号的频率为
由上式可知若忽略标频Fs的误差，则等精度测频可能产生的相对误差为
由上式可以看出，测量信号的相对误差与被测信号频率大小无关仅于闸门时间和标准信号频率有关，即实现了向整个测试频段的等精度测量。闸门时间越长，标准频率越高，测频的相对误差就越小。标准频率可由稳定度好。精度高的高频率晶体振荡器产生，在保证测量精度不变的前提下，提高标准信号频率，
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可使闸门时间缩短，即提高测试速度。
2、试验方案的选择
结合实验原理我们提出以下的两种实验方案：
方案一：频率计主要功能由单片机来实现，PLD芯片只作辅助用。直接测频法和测周法均可以，两者各有利弊。本实验采用直接测频法，利用AT89C51单片机的定时器/计数器1定时（定时时间为1s），同时用定时器/计数器0计数外部输入方波信号，两者同时启动，定时器1结束时，计数器0计数值即为方波信号的频率，从而实现20Hz-10kHz信号频率的实时测量。系统采用单片机AT89C51作为控制核心，门控信号由AT89C51内部的计数/定时器产生。AT89C51则完成运算、控制功能。由于使用了单片机，使整个系统具有极为灵活的可编程性，能方便地对系统进行功能扩展与改进。系统原理框图如图2-4所示。
被测信号 时间闸门 计数器 显示 单片机 晶体振荡 分频器（时基）
图3-2 方案一的原理框图
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电源 被测信号 键盘输入 单片机 PLD芯片 液晶显示 图3-3 方案一的硬件实现电路框图
方案二：采用单片机与CPLD结合使用等精度法测量频率。用一块复杂可
编程逻辑器件CPLD(Complex Programmable Logic Device)芯片EPM7128SLC84—15完成各种时序逻辑控制、计数功能，实现测频模块。在MAXPLUSII平台上，用VHDL语言编程完成CPLD的软件设计、编译、调试、仿真和下载。用AT89C51单片机作为系统的主控部件，实现整个电路的测试信号控制、数据运算处理、键盘扫描，显示等功能。系统将单片机AT89C51的控制灵活性及CPLD芯片的现场可编程性相结合，不但大大缩短了开发研制周期，而且使本系统具有结构紧凑、体积小，可靠性高，测频范围宽、精度高等优点。具体的测频方法采用等精度法测量频率。 系统原理图如下：
图3-4方案二的原理框图
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图3-5方案二硬件连接框图
四、具体设计过程
如前所述，本系统设计主要分为三个模块：频率测量、功能按键、LCD显示输出。因为本实验需要测量的只是标准方波信号，故不需要进行信号的前端处理。只需将标准被测信号（幅值等均满足要求的方波)输入频率测量系统即可。方案一、二的区别仅在于频率测量模块。
1、方案一测频模块的具体设计
本方案以AT89C51单片机为核心，利用他内部的两个16位定时器／计数器及五个中断源完成待测信号频率的测量。
单片机内部的专用寄存器TMOD中，有一个控制位(C/T)，分别用于控制定时器/计数器0和1是工作在定时器方式还是计数器方式。本方案频率测量中T1工作在定时方式，选择操作模式1构成16位定时器，用来产生一秒的时间间隔。T0工作在计数方式选择操作模式1构成16位计数器，用来对外部输入脉冲个数的测量。T1开始定时的同时T0开始计数，当1秒时间间隔到时在T1中断函数中停止T0的计数，此时T0的计数值就是所测的外部信号频率。
综上所述，在程序中T0、T1初始化时TMOD=0x15; TH1=(65536-10000)%6; TL1=(65536-10000)/256,每次定时10ms，进入T1中断函数，当T1中断累计100次（1秒定时）时，停止T0计数，并将此时T0的计数值进行简单运算即可得到被测频率。
当输入信号产生由1至0的跳变时，计数寄存器(TH0、TL0)的值增加1。每