数字频率计
内容摘要：频率测量在科技研究和实际应用中的作用日益重要。传统的频率计通采用组合电路和时序电路等大量的硬件电路构成，产品不但体积较大，运行速度慢，而且测量低频信号时不宜直接使用。在电子技术中，频率是最基本的参数之一，并且与许多电参量的测量方案、测量结果都有十分密切的关系，因此频率的测量就显得更为重要。测量频率的方法有多种,其中电子计数器测量频率具有精度高、使用方便、测量迅速，以及便于实现测量过程自动化等优点，是频率测量的重要手段之一。本文阐述了用ATmega16单片机与相关硬件和软件设计了一个简单的数字频率计的过程。
引 言
频率测量方法的优化越来越受到重视. 频率计的基本原理是用一个频率稳
定度高的频率源作为基准时钟，对比测量其他信号的频率。通常情况下计算每秒内待测信号的脉冲个数，此时我们称闸门时间为1秒。闸门时间也可以大于或小于一秒。闸门时间越长，得到的频率值就越准确，但闸门时间越长则没测一次频率的间隔就越长。闸门时间越短，测的频率值刷新就越快，但测得的频率精度就受影响。本文。数字频率计是用数字显示被测信号频率的仪器，被测信号可以是正弦波，方波或其它周期性变化的信号。如配以适当的传感器，可以对多种物理量进行测试，比如机械振动的频率，转速，声音的频率以及产品的计件等等。因此，数字频率计是一种应用很广泛的仪器
本设计基本要求是:
(1)可以选择不同的频率范围. (2)测量波形为三角波或矩形波.
(3)测量波形频率范围为0~100HZ,幅值为TTL电平. (4)使用数码管显示出实时频率值. .
发挥部分：
(1)测量范围可扩展到4MHZ，或者更高. (2)测量波形可为任意波形. (3)测量波形的幅值为1~5V峰峰值. (4)自动切换档位.
方案设计与论证
数字频率计是数字电路中的一个典型应用，实际的硬件设计用到的器件较多，连线比较复杂，而且会产生比较大的延时，造成测量误差、可靠性差。随着复杂可编程逻辑器件的广泛应用，用C语言编程到ATmega16，将使整个系统大大简化。提高整体的性能和可靠性。ATmega16是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8 位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega16 的数据吞吐率高达1 MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。
1方案设计与初步论证： （1）频率测量方法概述 频率测量方法 模拟法 直读法 比较法 差频 法 充电桥法 谐振法 李沙育图形 法 测周 期法 放电式 计数式 示波法 拍频电法 容子电 数字法 表1 频率测量方法
直读法又称无源网络频率特性测量法;比较法是将被测频率信号与已知频率信号相比较 ,通过观、听比较结果 ,获得被测信号的频率;电容充放电式计数法是利用电子电路控制电容器充放电的次数 ,再用电磁式仪表测量充放电电流的大小 ,从而测出被测信号的频率值;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 ,所以下面将重点介绍电子计数式测量频率的几种方法。
(1) 脉冲数定时测频法(M 法) : 此法是记录在确定时间 Tc内待测信号的脉冲个数 Mx ,则待测频率为 :
Fx= Mx/ Tc
显然,时间 Tc 为准确值,测量的精度主要取决于计数 Mx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。
⑵脉冲周期测频法(T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 Mo。这种方 法测出的频率是:
Fx = Mo/ Tx
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。
⑶脉冲数倍频测频法(AM法) : 此法是为克服 M 法在低频测量时精度不高的缺陷发展起来的。通过 A倍频,把待测信号频率放大 A 倍,以提高测量精度。其待测频率为:
Fx= Mx/ ATo
其特点是待测信号脉冲间隔减小 ,间隔误差降低;精度比 M法高A倍 ,但控制电路较复杂。
⑷脉冲数分频测频法(AT法) : 此法是为了提高T法高频测量时的精度形成的。由于T法测量时要求待测信号的周期不能太短 ,所以可通过A分频使待测信号的周期扩大A倍,所测频率为:
Fx = AMo/ Tx
其特点是高频测量精度比T法高A倍;但控制电路也较复杂。
⑸脉冲平均周期测频法(M/ T法) : 此法是在闸门时间 Tc内,同时用两个计数器分别记录待测信号的脉冲数
Mx 和标准信号的脉冲数Mo 。若标准信号的频率为Fo ,则待测信号频率为 :
Fx = FoMx/ Mo
M/ T 法在测高频时精度较高 ;但在测低频时精度较低。