3 提高测量精度的措施
等精度测量
单片机采用定时1秒的测频法先对信号进行预测,软件根据频率高低自动选择检测时间或周期扩展倍数,以保证各档都有较高测量精度。当输入信号频率超过100kHz时,信号经扩展计数器分频后送入8031按测频法测量,频率检测时间设有三档,分别为0.01s、0.1s、1s。在转入周期测量后,信号直接送入单片机,周期扩展倍数有104、103、102、10、1五档。 分频误差
由于单片机的最高计数频率为500kHz,限制了测频范围,必须对高频进行分频。扩展n分频器后,将会产生分频误差。这个n分频最大将导致(n-1)个待测频率周期的分频误差。该误差量级与“±1”误差相当,甚至更大。为了提高测频分辨率,我们采用了硬件同步分频技术,即在闸门开启的有效上升沿时刻,对74LS591分频器清零。在闸门关闭时刻,将分频状态打入总线缓冲器74LS244,8031通过缓冲器读出其值,从而消除了“分频误差”。 软件误差
在本系统中,T/C1编程为定时方式时,在12MHz晶振下其最大定时时间只有65.536ms,需采用软件来扩展计数器的容量。即计数器每溢出中断一次,片内RAM的内容加一计数,这样大大扩大了单片机的计数范围。但同时也引入了中断响应的时间误差,我们称之为“软件误差”。频率计的核心是时间基准的正确性,因此在中断后重置定时器时间常数时,不能简单地采用重置办法。从单片机的中断响应系统及其响应过程可知:(1)定时器每次溢出中断时,WAIT语句必须执行完才能响应,该条指令的执行时间为2μs,我们取其平均延迟时间为1μs;(2)CPU响应中断到执行中断服务程序首条指令至少需3个完整的机器周期,即延迟3μs;(3)中断服务程序中实际的定时时间是在执行完时间常数的装载指令后才开始,两条装载指令占用了4μs。根据以上分析,每次中断后,将延迟约8μs后才开始定时。实际获得的定时时间必须考虑到8μs的延迟,该频率计采用软件补偿的处理方法来降低其影响。由于软件修正相当方便,在仪器调试中可作进一步的调整,因此基本上可消除软件误差。
4 软件设计
频率计根据被测信号频率的大小,软件控制自动切换频率检测时间,或自动转换为周期测量,选择适当的周期扩展倍数。其软件设计采用模块化结构设计,程序设计与调试都很方便,功能扩充也很灵活。单片机上电复位后,首先执行主程序,完成有关芯片和定时器的初始化,设置数据缓冲区、显示方式、数据计数器初值及频率初测方式等。开中断后,随时检测外部中断和定时器所发出的中断请求信号,一旦有则转入相应的中断服务程序,否则返回显示程序,显示所测的频率值。频率/周期测量流程图如图3所示。
测 量 原 理1 直接测频法直接测频法就是在确定的门时间内,通过计数器对输入脉冲个数计数,根据频率定义计算被测信号的频率Fx=Nx/Tg。由于闸门的启闭与输入信号不同步,存在着±1个数误差。相对计数误差γ=ΔNx/Nx,由于ΔΝx=±1,所以γ=±1/FxTg×100%。由此可见,直接测频法存在以下缺点:第一,相对计数误差随输入信号频率变化,为了保证测量
闸门时间Tg的前后沿由被测信号Fx的有效计数跳变产生,并与Fx的有效跳变同步。设被测频率计数值为Nx,时标频率计数值为No,则被测频率为Fx=Nx/NoFo,测量的最大相对量化误差为γ2=±1/FoTg×100%[1]。显然,γ2与被测频率无关,只与时标频率和闸门时间有关,即消除了被测频率的固有量化误差,而仅存在时标频率的固有误差。由于频标Fo很高,No基数很大,所以量化误差很小,相对于被测频率Fx可以认为是一个常数。这样,在同一闸门时间内,就能保证在整个测量
图3中,从A点输入被测频率信号,输出端接计数器Nx,第二与门的输出端接计数器No,A、B、C、D、E各点波形如图4所示。8254计数器有三个独立的16位减法计数器,计数器频率可达10MHz。每个计数器有三条I/O线,时钟输入CLK,作为计数脉冲输入端,计数器输出OUT,当计数器为零时输出相应信号,门控端用于启闭计数器。每个计数器有6种工作方式,可以通过