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1、频率量测量方法及应用探讨频率量测量方法及应用探讨 随着工业技术不断发展，各种自动化设备已经频繁的出现在各种车间。其中为了检测这些设备运行是否正常， 检测这些系统的转速等频率量已经成为十分重要的方法之一。如今广泛采用的频率测量方法有周期法、计数法、等精度法以及其它改进方法。各种方法测量的范围不同，硬件要求也不同。 1几种测量方法的原理 1.1 周期法 由于信号周期的倒数即为信号的频率， 所以测量出信号的周期即可得到信号的频率。周期法就是利用这个原理来测量信号的频率。利用周期法测量频率时，单片机的一个计数器对被测信号进行计数， 另一个计数器对单片机的自身晶振进行计数，即标准信号计数。 图1为周期法
2、测频率的原理图。假设被测信号的计数值为 Nx，标准信号的计数值为 N0。 由于两者同时开始计数同时结束计数， 根据单片机的自身频率 f0，以及 Nx，N0可计算出被测信号的频率: fx=(Nxf0)/N0 （2-1） 由图中可以观察到在计数两端情况下，用标准信号去测量被测信号的周期时，会产生1 个时钟脉冲周期的误差。根据公式2-1可得到1个时钟脉冲周期带给测量结果的误差。当在极限情况时，单片机计数器对标准信号的计数少计1个周期，即得到的计数值为(N0-1)。从而得到测量结果为 fx=(Nxf0)/(N0-1)。根据计算频率式 2-1 可得测量误差为： n=(fx-fx)/fx=1/(N0-1)
3、 (2-2) 由式 2-2 可以得到， 周期法测频率所得到结果的误差只与单片机的自身晶振计数值有关。计数值越大，误差越小；计数值越小，误差越大。由于单片机的频率固定，被测信号的频率越小，则每个周期单片机的计数值就越大，从而误差越小。 所以对于周期法测频率较适合低频信号的频率测量，对于高频信号的频率测量会得到较大的误差。 被测信号： 标准信号： 图 1 周期法测频率原理 1.2 计数法 计数法测频率的原理为利用单片机的自身晶振频率来进行定时，所定的时间作为闸门信号，并利用闸门信号来开启和关闭对被测信号的计数。 图2为计数法测频率的原理图。其中单片机的一个定时器进行定时，用于产生闸门信号，假设定时
4、器定时周期为N0个时钟脉冲，从而得到的闸门信号的时间为N0/f0。此时，另一计数器对被测信号进行计数，假设在闸门信号中所得到被测信号的计数值为Nx,可得: fx=(Nxf0)/N0 （2-3） 由图 2 可以观察到计数法测频率时，在计数两端可能产生1 个被测信号周期的误差。这是由于闸门信号的开启与闭合不受被测信号的控制，可能在被测信号的某个周期之中开启或关闭。假设在极限情况下，被测信号的计数值为Nx-1,由此计数得到的测量结果为 fx=(Nx-1)f0/N0，那所产生的误差为： n=(fx- fx)/fx=1/Nx (2-4) 由式 2-4 可知计数法测频率的误差只与被测信号的计数值有关。计数
5、值越大，误差越小；计数值越小，误差越大。 由于闸门信号的长度是固定的，所以计数值大小由被测信号的频率所决定。被测信号的频率越大，计数值越大，被测信号的频率值越小， 计数值越小。 由此可见， 计数法测频率只适合测量高频信号，对于低频信号的测量将会产生较大误差。 1.3 多周期同步测频法 由于在宽频率范围内测量，无论是采用测频法还是计数法均会产生较大的误差， 而多周期同步测频法可解决宽量程的频率测量问题。使用测频法和计数法测频率时的主要问题在于精度不够。 多周期同步测频法的基本原理就是牺牲测量的响应时间来提高仪表在整个量程范围内的精度。 如图3所示，被测信号进入单片机后，单片机产生一个事先预定好的
6、闸门信号。 闸门信号产生后， 单片机计数器等待下一个被测信号的上升沿到来开始计数。等待闸门信号结束后，计数器并不立刻停止计数，而是等待到被测信号的下一个上升沿到来停止计数。所以计时器所记下的时间一定是被测信号的整数倍，从而避免了被测信号中 1 周期所带来的误差。 虽然对标准信号的计数仍然可能产生被测信号： 标准信号： 图 2 计数法测频率原理 闸门信号： 1 时钟周期带来的误差，但是由于闸门信号的存在，这个误差将被平分到闸门信号中的各个周期中，所以可以用增加测量时间的方法来到提高测量精度。 根据 2-6 式可得到带有误差的频率值 fx。根据误差计算公式 n=(fx- fx)/fx可以得 到测量
7、误差。相反，可以以某个固定的测量误差反推出闸门信号的持续时间T0， 从而实现在全量程范围的高精度测量。通常，为了提高测量精度，可以适当增大 闸门信号的时间，即牺牲测量的响应时间来保证测量的精度。 此外该方法虽然可以在全量程达到等精度的效果，但是对于系统硬件要求比较高。对被测信号的测量，需要有一个I/O口进行监测；对标准信号的计数，需要有一个计数器进行计数；闸门信号的定时也需要一个定时器。 1.4 宽量程等精度测频法 等精度测频法是在直接测频的基础上发展而来的。 等精度宽量程等精度测频法的目的在于在一个比较宽的量程范围内实现对频率等精度的测量， 且与被测信号的频率大小无关的方法。其基本原理如图4
8、所示。 在硬件上，被测信号经过分频器分频后直接接入单片机的中断口。在中断程序中打开单片机的计数器进行计数，通过对分频后信号的一个周期的测量，并利用单片机自身的晶振和分频数可以计算得到被测信号的频率。 假设闸门信号的分频数为 n，被测信号的频率为 fx，标准信号的频率为 f0。那么被测信号经 n 分频的闸门信号的周期为 n/fx。设计数器所计标准信号的周期数为 N0。可得被测信号的频率： fx=nN0f0 (2-7) 但是宽量程等精度法测仍然没有去除 1个标准信号周期带来的误差。假设单片机计数器计数为 N0，那么当在极限情况下漏掉一个周期时的计数为N0-1。根据式 2-7 可以得到 fx=n(N
9、0-1)f0，从而得到宽量程等精度测频法的误差 a 为： a=(fx-fx)/fx=1/N0 (2-8) 被测信号 闸门信号 标准信号 图 4 宽量程等精度测频法原理框图 由式 2-8 可得到结果，宽量程等精度测评法只与单片机计数器对单片机自身晶振计数的数值有关。计数数值越大则产生的误差越小。计数器的计数只与被测信号的分频数有关。分频数越大则单片机计数器计数值越大，从而误差就越小。所以，可以根据不同的精度要求来选择不同的分频数。分频数成为了决定精度的唯一参数。但是在测量之前，单片机并不知道被测信号的大致频率，从而无法选择适当的分频数。为了得到适当的分频数，单片机必须预先对信号进行粗略的测量。粗
10、略测量的目的在于确定信号的大致频段。得到了信号的大致频段，单片机即可选择相应的分频数对被测信号进行分频。分频后的信号经过单片机的测量以后即可达到足够高的精度。 表 3-1 分频系数与频率范围对应表 在软件方面，单片机的晶振频率f0设定为 5MHz。被测信号的频率范围fx为0100KHz 的方波。 测量精度a为0.05%。分频器的分频数n可被设置成对信号进行64、32、16、8、4、2、1分频。由联立式2-8以及 N0=nf0/fx可得： afx/nf0 (3-1) 由式 3-1 可计算得到表 3-1， 即分频数与测量范围的对应值。由于分频数是在二次测量（细测）中使用的，而在粗测时并不对信号进行
11、分频，即对信号只进行 1 分频，由单片机直接进行测量。若发现被测信号不要进行分频，那么测量值就作为最终值输出。若发现需要进一步分频，那么单片机设置分频数后进行二次测量，从而提高精度，其原理框图如图 6 所示。 在实际设计中，会经常出现输出结果不稳的情况。为了实现稳定输出，并进一步降低系统误差，可采用两种方法。一方面，对测量值进行数据滤波。测量时并不直接把测量结果输出，而是测量若干个结果后进行数据滤波后再输出。若滤波系数设置为 5，可以去掉一个最高的测量值和一个最低的测量值，然后对剩下三个测量频率范围（Hz） 分频数 0-2 500 1 2 501-5 000 2 5 001-10 000 4
12、10 001-20 000 8 20 001-40 000 16 40 001-80 000 32 80 001-100 000 64 粗 测 START 分频数1？ 选择适当分频 细测 测 设置分频数为 1 输 出 End 图 6. 软件基本原理框图 值取平均值输出， 对于较小的滤波系数， 可以直接取平均值进行滤波。 另一方面，当信号频率出现在相邻分频系数的临界点时， 可能因为分频系数的不断改变导致输出结果不断跳动。为了解决该问题，不同分频系数的频段应设有重叠部分，防止输出结果发生震荡。 下面以 2 分频和 4 分频的临界点为例对其加以说明：2 分频的频率范围为2501-5000Hz，4 分
13、频的频率范围为 5001 到 10000Hz。若测得频率在 5000Hz左右波动，会导致单片机不断地用 2 分频和 4 分频去对信号进行分频，从而导致不同的输出的跳动。所以在将 2 分频的频断设置为 2501-5050Hz，将 4 分频设为 4950-10000Hz，那么如果频率由低向高进行变化时，分频数临界点为5050Hz；若频率由高向低进行变化时，分频数临界点为 4950Hz。这样就有效避免了输入信号在 5000Hz 附近跳动的缺陷。 3结语 对于宽量程频率量测量技术的重点和难点在于如何在比较宽的量程范围之内实现高精度且等精度的测量，本文在分析其测量原理的基础上，进行了一些实际应用方面实践探素。 参考文献 1. 谢浪清；高速等精度频率测量的研究；中国科技信息，2006.15 2. 毛文宇、 吴剑文、 李伟斌； 等精度频率计的设计； 科技咨询导报， 2007.29 3. 李宝营、赵永生、祖龙起、牛悦苓；基于单片机的等精度频率计设计；微计算机信息，2007.23
