2003 年 7 月第 8 卷 第 3 期 西 安 郵 電 學(xué) 院 學(xué) 報(bào)JOURNAL OF XI AN UN IV ERSIT Y OF POST AND TEL ECOMMUN ICA TIONSJ uly. 2003Vol. 8 No. 3收稿日期 :2002 - 11 - 07作者簡(jiǎn)介 :赫建國(guó) (1961 - ) ,男 ,陜西西安人 ,西安郵電學(xué)院電子與信息工程系高級(jí)實(shí)驗(yàn)師。劉立新 (1968 - ) ,男 ,陜西西安人 ,西安郵電學(xué)院電子與信息工程系工程師。黨劍華 (1965 - ) ,男 ,陜西西安人 ,西安郵電學(xué)院電子與信息工程系高級(jí)工程師。基于單片機(jī)的頻率計(jì)設(shè)計(jì)赫建國(guó) ,劉立新 ,黨劍華(西安郵電學(xué)院 電子與信息工程系 ,陜西 西安 710061)摘要 :以單片機(jī) 89C51 為核心設(shè)計(jì)了一種頻率計(jì)。在設(shè)計(jì)中應(yīng)用單片機(jī)的數(shù)學(xué)運(yùn)算和控制功能 ,實(shí)現(xiàn)了測(cè)量量程的自動(dòng)切換 ,既滿(mǎn)足測(cè)量精度的要求 ,又滿(mǎn)足系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間的要求。關(guān)鍵詞 :頻率測(cè)量 ;單片機(jī) ;數(shù)據(jù)處理中圖分類(lèi)號(hào) : TP368. 1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 :A 文章編號(hào) :1007 - 3264(2003) 03 - 0031 - 041 系統(tǒng)概述1. 1 系統(tǒng)組成頻率計(jì)由單片機(jī) 89C51、信號(hào)予處理電路、串行通信電路、測(cè)量數(shù)據(jù)顯示電路和系統(tǒng)軟件所組成 ,其中信號(hào)予處理電路包含待測(cè)信號(hào)放大、波形變換、波形整形和分頻電路。系統(tǒng)硬件框圖如圖 1 所示。信號(hào)予處理電路中的放大器實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)信號(hào)的放大 ,降低對(duì)待測(cè)信號(hào)的幅度要求 ;波形變換和波形整形電路實(shí)現(xiàn)把正弦波樣的正負(fù)交替的信號(hào)波形變換成可被單片機(jī)接受的 TTL/ CMOS 兼容信號(hào) ;分頻電路用于擴(kuò)展單片機(jī)的頻率測(cè)量范圍并實(shí)現(xiàn)單片機(jī)頻率測(cè)量和周期測(cè)量使用統(tǒng)一的輸入信號(hào)。圖 1 系統(tǒng)硬件框圖系統(tǒng)軟件包括測(cè)量初始化模塊、顯示模塊、信號(hào)頻率測(cè)量模塊、量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換模塊、信號(hào)周期測(cè)量模塊、定時(shí)器中斷服務(wù)模塊、浮點(diǎn)數(shù)格式化模塊、浮點(diǎn)數(shù)算術(shù)運(yùn)算模塊、浮點(diǎn)數(shù)到 BCD 碼轉(zhuǎn)換模塊。系統(tǒng)軟件框圖如圖 2 所示。1. 2 處理方法本頻率計(jì)的設(shè)計(jì)以 A T89C51 單片機(jī)為核心 ,利用它內(nèi)部的定時(shí) / 計(jì)數(shù)器完成待測(cè)信號(hào)周期 / 頻率的測(cè)量。單片機(jī) A T89C51 內(nèi)部具有 2 個(gè) 16 位定時(shí) /計(jì)數(shù)器 ,定時(shí) / 計(jì)數(shù)器的工作可以由編程來(lái)實(shí)現(xiàn)定時(shí)、計(jì)數(shù)和產(chǎn)生計(jì)數(shù)溢出中斷要求的功能。在構(gòu)成為定時(shí)器時(shí) ,每個(gè)機(jī)器周期加 1 (使用 12MHz 時(shí)鐘時(shí) ,每 1us 加 1) ,這樣以機(jī)器周期為基準(zhǔn)可以用來(lái)測(cè)量時(shí)間間隔。在構(gòu)成為計(jì)數(shù)器時(shí) ,在相應(yīng)的外部引腳發(fā)生從 1 到 0 的跳變時(shí)計(jì)數(shù)器加 1 ,這樣在計(jì)數(shù)閘門(mén)的控制下可以用來(lái)測(cè)量待測(cè)信號(hào)的頻率。外部輸入每個(gè)機(jī)器周期被采樣一次 ,這樣檢測(cè)一次從1 到 0 的跳變至少需要 2 個(gè)機(jī)器周期 (24 個(gè)振蕩周期 ) ,所以最大計(jì)數(shù)速率為時(shí)鐘頻率的 1/ 24 (使用12MHz 時(shí)鐘時(shí) ,最大計(jì)數(shù)速率為 500 KHz) 。定時(shí) /計(jì)數(shù)器的工作由相應(yīng)的運(yùn)行控制位 TR 控制 ,當(dāng) TR置 1 ,定時(shí) / 計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù) ;當(dāng) TR 清 0 ,停止計(jì)數(shù)。設(shè)計(jì)綜合考慮了頻率測(cè)量精度和測(cè)量反應(yīng)時(shí)間的要求。例如當(dāng)要求頻率測(cè)量結(jié)果為 3 位有效數(shù)字 ,這時(shí)如果待測(cè)信號(hào)的頻率為 1Hz ,則計(jì)數(shù)閘門(mén)寬度必須大于 1000s。為了兼顧頻率測(cè)量精度和測(cè)量反應(yīng)時(shí)間的要求 ,把測(cè)量工作分為兩種方法。當(dāng)待測(cè)信號(hào)的頻率大于 100Hz 時(shí) ,定時(shí) / 計(jì)數(shù)器構(gòu)成為圖 2 系統(tǒng)軟件框圖計(jì)數(shù)器 ,以機(jī)器周期為基準(zhǔn) ,由軟件產(chǎn)生計(jì)數(shù)閘門(mén) ,這時(shí)要滿(mǎn)足頻率測(cè)量結(jié)果為 3 位有效數(shù)字 ,則計(jì)數(shù)閘門(mén)寬度大于 1s 即可。當(dāng)待測(cè)信號(hào)的頻率小于100Hz 時(shí) ,定時(shí) / 計(jì)數(shù)器構(gòu)成為定時(shí)器 ,由頻率計(jì)的予處理電路把待測(cè)信號(hào)變成方波 ,方波寬度等于待測(cè)信號(hào)的周期。用方波作計(jì)數(shù)閘門(mén) ,當(dāng)待測(cè)信號(hào)的頻率等于 100Hz ,使用 12MHz 時(shí)鐘時(shí)的最小計(jì)數(shù)值為 10000 ,完全滿(mǎn)足測(cè)量精度的要求。1. 3 頻率計(jì)的量程自動(dòng)切換在使用計(jì)數(shù)方法實(shí)現(xiàn)頻率測(cè)量時(shí) ,這時(shí)外部的待測(cè)信號(hào)為定時(shí) / 計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)源 ,利用軟件延時(shí)程序?qū)崿F(xiàn)計(jì)數(shù)閘門(mén)。頻率計(jì)的工作過(guò)程為 :首先定時(shí) /計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)寄存器清 0 ,運(yùn)行控制位 TR 置 1 ,啟動(dòng)定時(shí) / 計(jì)數(shù)器 ;然后運(yùn)行軟件延時(shí)程序 ,同時(shí)定時(shí) /計(jì)數(shù)器對(duì)外部的待測(cè)信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù) ,延時(shí)結(jié)束時(shí)TR 清 0 ,停止計(jì)數(shù) ;最后從計(jì)數(shù)寄存器讀出測(cè)量數(shù)據(jù) ,在完成數(shù)據(jù)處理后 ,由顯示電路顯示測(cè)量結(jié)果。在使用定時(shí)方法實(shí)現(xiàn)頻率測(cè)量時(shí) ,這時(shí)外部的待測(cè)信號(hào)通過(guò)頻率計(jì)的予處理電路變成寬度等于待測(cè)信號(hào)周期的方波 ,該方波同樣加至定時(shí) / 計(jì)數(shù)器的輸入腳。這時(shí)頻率計(jì)的工作過(guò)程為 :首先定時(shí) / 計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)寄存器清 0 ,然后檢測(cè)方波高電平是否加至定時(shí) / 計(jì)數(shù)器的輸入腳 ;當(dāng)判定高電平加至定時(shí) /計(jì)數(shù)器的輸入腳 ,運(yùn)行控制位 TR 置 1 ,啟動(dòng)定時(shí) /計(jì)數(shù)器對(duì)單片機(jī)的機(jī)器周期的計(jì)數(shù) ,同時(shí)檢測(cè)方波高電平是否結(jié)束 ;當(dāng)判定高電平結(jié)束時(shí) TR 清 0 ,停止計(jì)數(shù) ,然后從計(jì)數(shù)寄存器讀出測(cè)量數(shù)據(jù) ,在完成數(shù)據(jù)處理后 ,由顯示電路顯示測(cè)量結(jié)果。測(cè)量結(jié)果的顯示格式采用科學(xué)計(jì)數(shù)法 ,即有效數(shù)字乘以 10 為底的冪。這里設(shè)計(jì)的頻率計(jì)用 5 位數(shù)碼管顯示測(cè)量結(jié)果 :前 3 位為測(cè)量結(jié)果的有效數(shù)字 ;第 4 位為指數(shù)的符號(hào) ;第 5 位為指數(shù)的值。采用這種顯示格式既保證了測(cè)量結(jié)果的顯示精度 ,又保證了測(cè)量結(jié)果的顯示范圍 (0. 100Hz - 9. 99MHz) 。量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換的過(guò)程由頻率計(jì)測(cè)量量程的高端開(kāi)始。由于只顯示 3 位有效數(shù)字 ,在測(cè)量量程的高端計(jì)數(shù)閘門(mén)不需要太寬 , 例如在 10. 0 KHz -9919 KHz 頻率范圍 ,計(jì)數(shù)閘門(mén)寬度為 10mS 即可。頻率計(jì)每個(gè)工作循環(huán)開(kāi)始時(shí)使用計(jì)數(shù)方法實(shí)現(xiàn)頻率測(cè)量 ,并使計(jì)數(shù)閘門(mén)寬度為最窄 ,完成測(cè)量后判斷測(cè)量結(jié)果是否具有 3 位有效數(shù)字 ,如果成立 ,將結(jié)果送去顯示 ,本工作循環(huán)結(jié)束 ;否則將計(jì)數(shù)閘門(mén)寬度擴(kuò)大10 倍 ,繼續(xù)進(jìn)行測(cè)量判斷 ,直到計(jì)數(shù)閘門(mén)寬度達(dá)到1s ,這時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率測(cè)量范圍為 100Hz - 999Hz。如果測(cè)量結(jié)果仍不具有 3 位有效數(shù)字 ,頻率計(jì)則使用定時(shí)方法實(shí)現(xiàn)頻率測(cè)量。定時(shí)方法測(cè)量的是待測(cè)信號(hào)的周期 ,這種方法只設(shè)一種量程 ,測(cè)量結(jié)果通過(guò)浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算模塊將信號(hào)周期轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的頻率值 ,再將結(jié)果送去顯示。這樣無(wú)論采用何種方式 ,只要完成一次測(cè)量即可 ,頻率計(jì)自動(dòng)開(kāi)始下一個(gè)測(cè)量循環(huán) ,因此該頻率計(jì)具有連續(xù)測(cè)量的功能 ,同時(shí)實(shí)現(xiàn)量程的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)2. 1 信號(hào)予處理電路頻率計(jì)信號(hào)予處理電路如圖 3 所示 ,它由四級(jí)電路構(gòu)成。第一級(jí)為零偏置放大器 ,當(dāng)輸入信號(hào)為零或者為負(fù)電壓時(shí) ,三極管截止 ,輸出高電平 ;當(dāng)輸入信號(hào)為正電壓時(shí) ,三極管導(dǎo)通 ,輸出電壓隨著輸入電壓的上升而下降。零偏置放大器把如正弦波樣的正負(fù)交替波形變換成單向脈沖 ,這使得頻率計(jì)既可以測(cè)量任意方波信號(hào)的頻率 ,也可以測(cè)量正弦波信號(hào)的頻率。放大器的放大能力實(shí)現(xiàn)了對(duì)小信號(hào)的測(cè)量 ,本電路可以測(cè)量幅度 0. 5V 的正弦波或脈沖波待測(cè)信號(hào)。三極管應(yīng)采用開(kāi)關(guān)三極管以保證放大器具有良好的高頻響應(yīng)。第二級(jí)采用帶施密特觸發(fā)器的反相器 7414 ,它用于把放大器生成的單向脈沖變換成與 TTL/ CMOS 電平相兼容的方波。第三級(jí)采用十進(jìn)制同步計(jì)數(shù)器 74160 ,第二級(jí)輸出的方波加到 74160 的 CL K ,當(dāng)從 74160 的 TC 輸出可實(shí)現(xiàn) 10分頻 (多個(gè) 74160 的級(jí)連可以進(jìn)一步擴(kuò)展測(cè)頻范23 西 安 郵 電 學(xué) 院 學(xué) 報(bào) 2003 年 7 月圍 ) 。第四級(jí)同樣采用十進(jìn)制同步計(jì)數(shù)器 74160 ,第三級(jí)輸出的方波加到它的 CL K ,從它的 Q0 輸出即可實(shí)現(xiàn) 2 分頻 ,且其輸出為對(duì)稱(chēng)方波 ,方波寬度等于待測(cè)信號(hào)的周期 ,從而為測(cè)量信號(hào)周期提供基礎(chǔ)。圖 3 信號(hào)予處理電路2. 2 單片機(jī)頻率測(cè)量電路選用 89C51 作為頻率計(jì)的信號(hào)處理核心。 89C51 包含 2 個(gè) 16 位定時(shí) / 計(jì)數(shù)器、 1個(gè)具有同步移位寄存器方式的串行輸入 / 輸出口和4 K 8 位片內(nèi) FLASH 程序存儲(chǔ)器。 16 位定時(shí) / 計(jì)數(shù)器用于實(shí)現(xiàn)待測(cè)信號(hào)的頻率測(cè)量或者待測(cè)信號(hào)的周期測(cè)量。同步移位寄存器方式的串行輸入 / 輸出口用于把測(cè)量結(jié)果送到顯示電路。 4 K 8 位片內(nèi)FLASH 程序存儲(chǔ)器用于放置系統(tǒng)軟件。 89C51 與具有更大程序存儲(chǔ)器的芯片管腳兼容 ,如 : 89C52(8 K 8 位 )或 89C55 (32 K 8 位 ) ,為系統(tǒng)軟件升級(jí)打下堅(jiān)實(shí)的物質(zhì)基礎(chǔ)。2. 3 數(shù)據(jù)顯示電路顯示電路采用靜態(tài)顯示方式。頻率測(cè)量結(jié)果經(jīng)過(guò)譯碼 ,通過(guò) 89C51 的串行口送出。串行口工作于模式 0 ,即同步移位寄存器方式。這時(shí)從 89C51 的RXD( P3. 0) 輸出數(shù)據(jù) ,送至串入并出移位寄存器74164 的數(shù)據(jù)輸入口 A 和 B ;從 TXD ( P3. 1) 輸出時(shí)鐘 ,送至 74164 的時(shí)鐘輸入口 CP。 74164 將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù) ,進(jìn)行鎖存。 74164 輸出的 8 位并行數(shù)據(jù)送至 8 段 L ED ,實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的顯示。使用這種方法主程序可不必掃描顯示器 ,從而單片機(jī)可以進(jìn)行下一次測(cè)量。這種方法也便于對(duì)顯示位數(shù)進(jìn)行擴(kuò)展。3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)3. 1 數(shù)據(jù)處理過(guò)程在頻率計(jì)開(kāi)始工作 ,或者完成一次頻率測(cè)量 ,系統(tǒng)軟件都進(jìn)行測(cè)量初始化。測(cè)量初始化模塊設(shè)置堆棧指針 (SP) 、工作寄存器、中斷控制和定時(shí) / 計(jì)數(shù)器的工作方式。定時(shí) / 計(jì)數(shù)器的工作首先被設(shè)置為計(jì)數(shù)器方式 ,即用來(lái)測(cè)量信號(hào)頻率。在對(duì)定時(shí) / 計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)寄存器清 0 后 ,置運(yùn)行控制位 TR 為 1 ,啟動(dòng)對(duì)待測(cè)信號(hào)的計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)閘門(mén)由軟件延時(shí)程序?qū)崿F(xiàn) ,從計(jì)數(shù)閘門(mén)的最小值開(kāi)始 ,也就是從測(cè)量頻率的高量程開(kāi)始。計(jì)數(shù)閘門(mén)結(jié)束時(shí) TR 清 0 ,停止計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)寄存器中的值通過(guò) 16 進(jìn)制數(shù)到 10 進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換程序轉(zhuǎn)換為 10 進(jìn)制數(shù)。對(duì) 10 進(jìn)制數(shù)的最高位進(jìn)行判別 ,若該位不為 0 ,滿(mǎn)足測(cè)量數(shù)據(jù)有效位數(shù)的要求 ,測(cè)量值和量程信息一起送到顯示模塊 ;若該位為 0 ,將計(jì)數(shù)閘門(mén)的寬度擴(kuò)大 10 倍 ,重新對(duì)待測(cè)信號(hào)的計(jì)數(shù) ,直到滿(mǎn)足測(cè)量數(shù)據(jù)有效位數(shù)的要求。當(dāng)上述測(cè)量判斷過(guò)程直到計(jì)數(shù)閘門(mén)寬度達(dá)到1s ,這時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率測(cè)量范圍為 100Hz - 999Hz ,如果測(cè)量結(jié)果仍不具有 3 位有效數(shù)字 ,頻率計(jì)則使用定時(shí)方法測(cè)量待測(cè)信號(hào)的周期。定時(shí) / 計(jì)數(shù)器的工作這時(shí)被設(shè)置為定時(shí)器方式 ,在對(duì)定時(shí) / 計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)寄存器清 0 后 ,判斷待測(cè)信號(hào)的上跳沿是否到來(lái)。待測(cè)信號(hào)的上跳沿到來(lái)后 ,置運(yùn)行控制位 TR 為 1 ,以單片機(jī)工作周期為單位 ,啟動(dòng)對(duì)待測(cè)信號(hào)的周期測(cè)量。然后判斷待測(cè)信號(hào)的下跳沿是否到來(lái) ,待測(cè)信號(hào)的下跳沿到來(lái)后 ,運(yùn)行控制位 TR 清 0 ,停止計(jì)數(shù)。 16 位定時(shí) / 計(jì)數(shù)器的最高計(jì)數(shù)值為 65535 ,這樣在待測(cè)信號(hào)的頻率較低時(shí) ,定時(shí) / 計(jì)數(shù)器將發(fā)生溢出。當(dāng)產(chǎn)生定時(shí) / 計(jì)數(shù)器將溢出 ,程序進(jìn)入定時(shí)器中斷服務(wù)程序 ,中斷服務(wù)程序?qū)σ绯龃螖?shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)。待測(cè)信號(hào)的周期由 3 個(gè)字節(jié)組成 :定時(shí) / 計(jì)數(shù)器溢出次數(shù)、定時(shí) / 計(jì)數(shù)器的高 8 位和低 8 位。信號(hào)的頻率 f 與信號(hào)的周期 T 之間的關(guān)系為 :f = 1/ T完成信號(hào)的周期測(cè)量后 ,需要做一次倒數(shù)運(yùn)算才能獲得信號(hào)的頻率。為提高運(yùn)算精度 ,這里采用浮點(diǎn)33第 3 期 赫建國(guó)等 :基于單片機(jī)的頻率計(jì)設(shè)計(jì)數(shù)算術(shù)運(yùn)算。浮點(diǎn)數(shù)用 3 個(gè)字節(jié)組成 ,第一字節(jié)最高位為數(shù)符 ,其余 7 位為階碼 ;第二字節(jié)為尾數(shù)的高字節(jié) ;第三字節(jié)為尾數(shù)的低字節(jié)。待測(cè)信號(hào)周期的3 個(gè)字節(jié)定點(diǎn)數(shù)首先通過(guò)截取高 16 位、設(shè)置數(shù)符和計(jì)算階碼轉(zhuǎn)換為上述格式的浮點(diǎn)數(shù)。然后浮點(diǎn)數(shù)算術(shù)運(yùn)算對(duì)其進(jìn)行處理 ,獲得用浮點(diǎn)數(shù)格式表達(dá)的信號(hào)頻率值。浮點(diǎn)數(shù)到 BCD 碼轉(zhuǎn)換模塊把用浮點(diǎn)數(shù)格式表達(dá)的信號(hào)頻率值變換成本頻率計(jì)的顯示格式 ,送到顯示模塊顯示待測(cè)信號(hào)的頻率值。無(wú)論從哪一種方式進(jìn)入顯示模塊 ,完成顯示后 ,頻率計(jì)都開(kāi)始下一次信號(hào)的頻率測(cè)量。3. 2 系統(tǒng)軟件框圖系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)方法。整個(gè)系統(tǒng)由初始化模塊、顯示模塊和信號(hào)頻率測(cè)量模塊等各種功能模塊組成 (見(jiàn)圖 4) 。上電后 ,進(jìn)入系統(tǒng)初始化模塊 ,系統(tǒng)軟件開(kāi)始運(yùn)行。在執(zhí)行過(guò)程中 ,根據(jù)運(yùn)行流程分別調(diào)用各個(gè)功能模塊完成頻率測(cè)量、量程自動(dòng)切換、周期測(cè)量和測(cè)量結(jié)果顯示。圖 4 系統(tǒng)軟件流程圖3. 3 浮點(diǎn)數(shù)學(xué)運(yùn)算程序8031 系列單片機(jī)屬于微控制器 ,由于其 CPU字長(zhǎng)和指令功能的限制 ,它適用于控制領(lǐng)域 ,在信號(hào)處理方面不很擅長(zhǎng)。在本頻率計(jì)中需要完成周期到頻率的換算 ,為保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確 ,這里應(yīng)用了浮點(diǎn)數(shù)數(shù)學(xué)運(yùn)算。從周期到頻率的換算過(guò)程包括 : 3字節(jié)定點(diǎn)數(shù)到浮點(diǎn)數(shù)的轉(zhuǎn)換、浮點(diǎn)數(shù)數(shù)學(xué)運(yùn)算和浮點(diǎn)數(shù)到 BCD 碼的轉(zhuǎn)換。由于通過(guò)多次的轉(zhuǎn)換 ,整個(gè)換算過(guò)程精度還不是很高 ,通過(guò)實(shí)測(cè) ,精度大約為千分之二左右。4 實(shí)測(cè)結(jié)果和誤差分析為了衡量這次設(shè)計(jì)的頻率計(jì)的工作情況和測(cè)量精度 ,我們對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)。以南京電訊儀器廠制造的 E312B 型通用計(jì)數(shù)器為基準(zhǔn) ,用這次設(shè)計(jì)的頻率計(jì)對(duì)信號(hào)源進(jìn)行了測(cè)量 ,測(cè)量數(shù)據(jù)如表 1 所示。表 1 頻率測(cè)量對(duì)比表E312B 頻率測(cè)量值 (Hz) 5. 00M 500 K 50. 0 K5. 00 K 500 50. 0 5. 00 0. 500制作頻率計(jì)測(cè)量值 (Hz) 5. 01M 500 K 50. 0 K5. 01 K 501 50. 0 5. 02 0. 502如圖 3 信號(hào)予處理電路所示 ,待測(cè)信號(hào)在進(jìn)入單片機(jī)之前經(jīng)過(guò)了 10 2 次分頻。頻率計(jì)以進(jìn)入單片機(jī)時(shí)的信號(hào)頻率等于 100Hz 為基準(zhǔn) ,既待測(cè)信號(hào)頻率等于 2 KHz 為基準(zhǔn) ,大于此頻率采用頻率測(cè)量 ,小于此頻率采用周期測(cè)量。由表 1 頻率測(cè)量對(duì)比表可以看出 ,頻率測(cè)量的測(cè)量精度大于周期測(cè)量的測(cè)量精度。采用計(jì)數(shù)法實(shí)現(xiàn)頻率測(cè)量 ,誤差來(lái)源主要有計(jì)數(shù)誤差和閘門(mén)誤差兩部分。誤差表達(dá)式為d f / f = | dN/ N| + | dt/ t|這里 N 為計(jì)數(shù)值 ,t 為閘門(mén)時(shí)間。閘門(mén)時(shí)間相對(duì)誤差 dt/ t 主要取決于晶振的頻率穩(wěn)定度 ,選擇合適的石英晶體和振蕩電路 ,誤差一般可小于 10 - 6 。當(dāng)僅顯示 3 位有效數(shù)字時(shí) ,該項(xiàng)誤差可以忽略。對(duì)于dN/ N 部分 ,無(wú)論閘門(mén)時(shí)間長(zhǎng)短 ,計(jì)數(shù)法測(cè)頻總存在1 個(gè)單位的量化誤差。在表 1 中 ,待測(cè)信號(hào)頻率大于 2 KHz 時(shí)的誤差就來(lái)源于計(jì)數(shù)誤差。增加顯示的有效數(shù)字位數(shù)可降低該項(xiàng)誤差的影響。當(dāng)待測(cè)信號(hào)頻率小于 2 KHz 時(shí) ,直接測(cè)量的是信號(hào)的周期。周期測(cè)量的誤差表達(dá)式為 :dT/ T = | dN/ N| + | d 0/ 0|這里 dN/ N 為量化誤差 ,d 0/ 0 為晶振的頻率穩(wěn)定度。在進(jìn)行周期測(cè)量時(shí)進(jìn)入單片機(jī)的信號(hào)頻率小于100Hz ,使用 12MHz 時(shí)鐘這時(shí)的最小計(jì)數(shù)值為10000。當(dāng)僅顯示 3 位有效數(shù)字時(shí) ,該項(xiàng)誤差現(xiàn)在也可以忽略。待測(cè)信號(hào)的周期測(cè)量值通過(guò)浮點(diǎn)數(shù)數(shù)學(xué)運(yùn)算變換成頻率值 ,這時(shí)的誤差來(lái)源于浮點(diǎn)數(shù)數(shù)學(xué)運(yùn)算和數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換所帶來(lái)的誤差。(下轉(zhuǎn) 72 頁(yè) )43 西 安 郵 電 學(xué) 院 學(xué) 報(bào) 2003 年 7 月參 考 文 獻(xiàn)1 程守洙 ,江之永主編 . 普通物理學(xué) (第 5 版 ) M .北京 :高 等教育出版社 ,1998.2 程守洙 ,江之永主編 . 普通物理學(xué) (1982 年修訂本 ) M .北京 :高等教育出版社 ,1982.3 馬文蔚改編 . 物理學(xué) (第 4 版 ) M .北京 :高等教育出版社 ,1999.4 馬文蔚改編 . 物理學(xué) (第 3 版 ) M .北京 :高等教育出版社 ,1993.5 吳百詩(shī)主編 . 大學(xué)物理 (修訂本 ) M .西安 :西安交通大學(xué)出版社 ,1994.6 閻金鐸等編寫(xiě) . 普通物理教學(xué)手冊(cè) M .北京 :北京師范大學(xué)出版社 ,1984.7 祝之光編寫(xiě) . 物理學(xué) M .北京 :高等教育出版社 ,1988.8 張學(xué)恭主編 . 物理學(xué) M .西安 :西安交通大學(xué)出版社 ,1996.9 張三慧主編 . 大學(xué)物理學(xué) (第 2 版 ) 力學(xué) M .北京 :清華大學(xué)出版社 ,2000. 10 倪光炯等編 . 改變世界的物理學(xué) (第 2 版 ) M .上海 :復(fù)旦大學(xué)出版社 ,1999.11 向義和編著 . 大學(xué)物理導(dǎo)論 M .北京 :清華大學(xué)出版社 ,1999.12 中學(xué)物理教師手冊(cè) M .上海 :上海教育出版社 ,1983.On conditions of mechanical energy conservationWU Heng2de(Department of Basic Courses ,Xi an University of Post and Telecommunications ,Xi an 710061 ,China)Abstract : After comparing the different explanations of the conditions of mechanical energy conservation in sometext - books ,according to the principle of making concept clear ,this paper proposes suggestion of how to teachthis problem in class.Key words :mechanical energy ;conditions of conservation ;external force ;nonconservative internal force(上接 34 頁(yè) )5 結(jié)束語(yǔ)本文介紹了一種基于單片機(jī) 89C