CN105158557B

CN105158557B - 一种频率测试方法和对应的频率测试系统

Info

Publication number: CN105158557B
Application number: CN201510511499.7A
Authority: CN
Inventors: 张海涛; 曹锋; 徐兴元; 李晓强
Original assignee: Henan University of Science and Technology
Current assignee: Henan University of Science and Technology
Priority date: 2015-08-19
Filing date: 2015-08-19
Publication date: 2018-05-04
Anticipated expiration: 2035-08-19
Also published as: CN105158557A

Abstract

本发明涉及一种频率测试方法和对应的频率测试系统，包括单片机和可编程分频器，所述单片机控制连接所述可编程分频器，用于控制所述可编程分频器的分频比；所述可编程分频器用于连接待测信号；所述可编程分频器输出连接所述单片机；用于将分频后的待测信号输出给单片机进行测试。通过单片机对待测信号进行判断，自适应调节分频比，进而通过可编程分频器对待测信号进行f₁分频、f₂分频······f_n分频，提高待测信号的测量周期，直至将待测信号扩大到合适范围(大于或等于设定值)，之后再通过单片机进行测试，使得本发明的频率测试系统并可以实现分频比的自动切换，提高了测量精度，扩大了测试范围。

Description

一种频率测试方法和对应的频率测试系统

技术领域

本发明属于频率计设计领域，具体涉及一种频率测试方法和对应的频率测试系统。

背景技术

随着电子信息产业的发展，信号作为其最基础的元素，其频率的测量在科技研究和实际应用中的作用日益重要，而且需要测频的范围也越来越宽。测量频率的方法有很多种，主要分为模拟法和数字法两大类，传统的模拟法频率测试方式通常采用组合电路和时序电路等大量的硬件电路进行频率测量，产品不但体积较大，运行速度慢，而且测量范围低，精度低。因此，随着对频率测试的要求的提高，传统的模拟式测频方法在实际应用中已不能满足要求。

数字式频率测试方法主要有计数法和周期测量法。计数法是通过记录确定时间内待测信号的脉冲个数来得到信号频率。计数法的测量方法简单，测量精度主要取决于待测信号频率和门控时间，当待测信号频率较低时，误差较大。周期测量法是通过在待测信号的一个周期内，记录标准频率信号变化次数来得到信号频率。周期测量法的测量频率上限受到微控制器时钟频率的限制，当待测信号频率较低时检测精度高，但当待测信号频率高时误差较大。例如，对于常用的AT89C51单片机，选用12MHz的晶振，其振荡周期为1/12us，机器周期为1us，单片机定时器的计数时钟周期就是1us。因此，当待测测试周期小于100us时，也就是频率较高时，周期测量法测量精度较低；当周期小于1us时，甚至无法测量周期。

现有技术中的频率测试系统，通过分频器对待信号进行分频处理后得到，再由单片机进行频率测试，提高了待测信号的测量周期，进而提高了测量精度。但是，现有技术中频率测试系统的分频器的分频比是确定值，适用于确定范围的待测信号。当待测信号频率范围较大时，现有技术中的频率测试系统不能自适应调节分频比，当待测信号频率较低时，分频倍数过多，当待测信号频率较高时，则可能造成分频倍数不够；也会造成频率测试结果不精确。

发明内容

本发明的目的是提供一种频率测试方法和对应的频率测试系统，用以解决的现有技术中的频率测试系统不能自适应调节分频比，导致测试结果不精确的问题。

为实现上述目的，本发明的方案包括：

一种频率测试方法，包括以下步骤：

(1)对待测信号进行测试，计算待测信号的测试周期；判断测试周期是否小于设定值；当测试周期大于或等于设定值时，将该测试周期取倒数，生成待测信号的频率值；当测试周期小于设定值时，进行下一步骤；

(2)对待测信号进行f₁分频处理，之后进行测试，计算处理后得到的测试周期；判断处理后得到的测试周期是否小于设定值；当处理后得到的测试周期大于或等于设定值时，将处理后得到的测试周期结合分频比f₁生成待测信号的频率值；当处理后得到的测试周期小于设定值时，进行下一步骤；

(3)对待测信号进行f₂分频处理，之后进行测试，计算处理后得到的测试周期；判断处理后得到的测试周期是否小于设定值；当处理后得到的测试周期大于或等于设定值时，将处理后得到的测试周期结合分频比f₂生成待测信号的频率值；当处理后得到的测试周期小于设定值时，进行下一步骤；

(4)依次类推，对待测信号进行分频处理，直至当对待测信号进行f_n分频处理时，处理后得到的测试周期大于或等于设定值，将处理后得到的测试周期结合分频比f_n生成待测信号的频率值。

上述步骤中，所述分频比f₁为10；所述分频比f₂为100；所述分频比f_n为10ⁿ。

所述设定值为100us。

一种频率测试系统，包括单片机和可编程分频器，所述单片机控制连接所述可编程分频器，用于控制所述可编程分频器的分频比；所述可编程分频器用于连接待测信号；所述可编程分频器输出连接所述单片机；用于将分频后的待测信号输出给单片机进行测试。

所述频率测试系统还包括模拟开关，所述模拟开关包括两路输入通道和一路输出通道；所述一路输入通道连接所述可编程分频器，另一路输入通道用于连接待测信号；所述输出通道连接所述单片机；所述单片机控制连接所述模拟开关，用于控制所述模拟开关的输入信号来源。

所述单片机连接液晶显示屏，所述液晶显示屏用于显示待测信号的频率值。

本发明的有益效果是：由于当待测信号周期小于设定值时，对应的单片机计时长度小于设定值，测量精度较低。因此，通过单片机对待测信号进行判断，自适应调节分频比，进而通过可编程分频器对待测信号进行f₁分频、f₂分频······f_n分频，提高待测信号的测量周期，将待测信号的周期扩大f₁倍、f₂倍······f_n倍，直至将待测信号扩大到合适范围(大于或等于设定值)，之后再通过单片机进行测试，使得本发明的频率测试系统并可以实现分频比的自动切换，提高了测量精度，扩大了测试范围。

可编程分频器输出连接模拟开关，通过模拟开关输出连接单片机；待测信号输入连接模拟开关，单片机控制连接模拟开关。实现了对待测信号的判断，当待测信号频率较低时，单片机通过模拟开关直接对待测信号进行频率测试；当待测信号频率较高时，单片机通过可编程分频器对待测信号进行分频处理之后进行频率测试。实现了测量范围的自动切换，提高了测量精度。

附图说明

图1是本发明频率测试方法实施例的流程图；

图2是本发明频率测试系统实施例的电路图。

具体实施方式

频率测试方法实施例

本发明实施例的频率测试方法包括以下步骤：

单片机的定时器对待测信号进行计数，并根据溢出次数和计数值计算出测试周期。单片机判断测试周期是否小于设定值；当测试周期大于或等于设定值时，将该测试周期取倒数，得到待测信号的频率值；当测试周期小于设定值时，进行下一步骤。

单片机设定分频器的分频比为f₁；可编程分频器对信号进行f₁分频处理，单片机的定时器对待测信号进行计数，并根据溢出次数和计数值计算出处理后得到的测试周期。单片机判断测试周期是否小于设定值；当处理后得到的测试周期大于等于设定值时，将处理后得到的测试周期除以f₁之后取倒数，得到待测信号的频率值；当待测测试周期小于设定值时，进行下一步骤。

单片机设定分频器的分频比为f₂；可编程分频器对信号进行f₂分频处理，单片机的定时器对待测信号进行计数，并根据溢出次数和计数值计算出处理后得到的测试周期。单片机判断测试周期是否小于设定值；当处理后得到的测试周期大于等于设定值时，将处理后得到的测试周期除以f₂之后取倒数，得到待测信号的频率值；当待测测试周期小于设定值时，进行下一步骤。

(4)依次类推，对待测信号进行分频处理，直至当单片机对待测信号进行f_n分频处理时，单片机判断测处理后得到的测试周期大于或等于设定值，将处理后得到的测试周期结合分频比f_n生成待测信号的频率值。

依次类推，对待测信号进行分频处理，直至当对待测信号进行f_n分频处理时，处理后得到的测试周期大于或等于设定值。将处理后得到的测试周期除以f_n之后取倒数，得到待测信号的频率值。

上述方法中，单片机通过不断调整增加可编程分频器的分频比，直至当对待测信号进行f_n分频处理时，处理后得到的测试周期大于或等于设定值，达到单片机能够精确测试的范围，再进行频率测试。

下面结合具体例子对频率测试方法进行说明。作为上述方法简略方式，下例通过三个确定的分频比10、100、1000来对待测信号进行分频处理。

如图1所示，频率测试方法包括以下步骤：

(1)对待测信号进行测试，计算待测信号的测试周期；判断测试周期是否小于100us；当测试周期大于或等于100us时，生成待测信号的频率值；当测试周期小于100us时，进行下一步骤；

单片机的定时器对待测信号进行计数，并根据溢出次数和计数值计算出测试周期。单片机判断测试周期是否小于100us；当测试周期大于或等于100us时，将该测试周期取倒数，得到待测信号的频率值；当测试周期小于100us时，进行下一步骤。

(2)对待测信号进行10分频处理，之后进行测试，计算处理后得到的测试周期；判断处理后得到的测试周期是否小于100us；当处理后得到的测试周期大于或等于100us时，生成待测信号的频率值；当处理后得到的测试周期小于100us时，进行下一步骤；

单片机设定分频器的分频比为10；可编程分频器对信号进行10分频处理，单片机的定时器对待测信号进行计数，并根据溢出次数和计数值计算出处理后得到的测试周期。单片机判断测试周期是否小于100us；当处理后得到的测试周期大于等于100us时，将处理后得到的测试周期除以10之后取倒数，得到待测信号的频率值；当待测测试周期小于100us时，进行下一步骤。

(3)对待测信号进行100分频处理，之后进行测试，计算处理后得到的测试周期；判断处理后得到的测试周期是否小于100us；当处理后得到的测试周期大于或等于100us时，生成待测信号的频率值；当处理后得到的测试周期小于100us时，进行下一步骤；

单片机设定分频器的分频比为100；可编程分频器对信号进行100分频处理，单片机的定时器对待测信号进行计数，并根据溢出次数和计数值计算出处理后得到的测试周期。单片机判断测试周期是否小于100us；当处理后得到的测试周期大于等于100us时，将处理后得到的测试周期除以100之后取倒数，得到待测信号的频率值；当待测测试周期小于100us时，进行下一步骤。

(4)对待测信号进行1000分频处理，之后进行测试，计算处理后的信号周期；并根据处理后的信号周期生成待测信号的频率值。

单片机设定分频器的分频比为1000；可编程分频器对信号进行1000分频处理，单片机的定时器对待测信号进行计数，并根据溢出次数和计数值计算出处理后的信号周期。单片机将处理后的信号周期除以1000之后取倒数，得到待测信号的频率值。

在上述实施例中，所述设定值取100us，是因为当待测测试周期小于100us时，对应的单片机计时长度小于100us，导致测量精度较低。作为其他实施方式，所述设定值为其他能有效提高单片机测试精度的，并与单片机晶振频率相适配的设定值，如200us等。

在上述实施例中，所述分频比f₁为10；所述分频比f₂为100；所述分频比f_n为1000。作为其他实施方式，所述分频比f₁、f₂、f_n以递增的方式增加。

频率测试系统实施例

如图2所示，本发明实施例的频率测试系统包括按键K1、AT89C51单片机、可编程分频器CD4059、以及模拟开关CD4052和字符型液晶1602。其中，AT89C51单片机是整个系统的核心，其晶振频率为12MHz，主要用于测量外部待测信号的周期，以得到信号的频率值，并在液晶上显示频率值；同时，单片机根据信号的频率范围，控制分频器和模拟开关，实现测量范围的自动切换。分频器用于对待测信号进行10分频、100分频或1000分频，以便将待测高频信号的周期扩大10倍、100倍或1000倍。模拟开关主要用于选择待测信号，或者选择经过分频后的信号。液晶主要用于显示待测信号的频率值。

AT89C51单片机的P1.0引脚连接按键K1的一端，该端同时连接一个上拉电阻，按键K1的另一端接地；AT89C51单片机的P1.4～P1.6引脚分别对应连接字符型液晶1602的寄存器选择引脚RS、读写引脚R/W和使能引脚E；AT89C51单片机的P0.7～P0.0引脚分别连接字符型液晶1602的数据引脚DB7～DB0；AT89C51单片机的P3.1引脚连接模拟开关CD4052的INH引脚；AT89C51单片机的P3.0引脚连接模拟开关CD4052的选择引脚A；AT89C51单片机的外部中断引脚/INT0连接模拟开关CD4052的输出引脚x；AT89C51单片机的P1.1～P1.3引脚分别连接可编程分频器CD4059的分频设置引脚J5、J9和J13。

可编程分频器CD4059的时钟输入引脚CP连接待测信号；输出引脚OUT连接模拟开关CD4052的1x引脚；模式引脚ka和kb连接+5V电源；模式引脚kc接地；使能锁存引脚L接地；分频设置引脚J1～J4、J6～J8、J10～J12和J14～J16均接地；

模拟开关CD4052的选择引脚B接地；0x引脚连接待测信号。

具体地，AT89C51单片机的各个引脚功能如下：

AT89C51单片机的P1.0引脚用于控制系统是否开始测试。AT89C51单片机的P1.0引脚置0时，系统开始检测待测信号的频率。

AT89C51单片机的P3.0引脚用于选择输入单片机的信号来源。当AT89C51单片机的P3.0引脚置0时，模拟开关CD4052选择来自于其0x引脚的信号，即待测信号直接输出到其输出引脚x；当AT89C51单片机的P3.0引脚置1时，模拟开关CD4052选择来自于其1x引脚的信号，即待测信号经分频器CD4059后到其输出引脚x。

AT89C51单片机的P3.1引脚用于控制模拟开关CD4052是否工作。当AT89C51单片机的P3.1引脚置0时，控制模拟开关CD4052进入工作状态。

AT89C51单片机的P1.3～P1.1引脚用于控制分频器CD4059的分频状态。当AT89C51单片机的P1.3～P1.1引脚置为001B时，使分频器CD4059工作于10分频状态；当AT89C51单片机的P1.3～P1.1引脚置为010B时，使分频器CD4059工作于100分频状态；当AT89C51单片机的P1.3～P1.1引脚置为100B时，使分频器CD4059工作于1000分频状态。

AT89C51单片机的P1.4～P1.6引脚用于控制字符型液晶1602的状态。当寄存器选择引脚RS置1、读写引脚R/W置0、使能引脚E置0时，将数据写入字符型液晶1602的数据寄存器；当寄存器选择引脚RS置1、读写引脚R/W置1、使能引脚E置1时，从字符型液晶1602的数据寄存器中读取数据。

AT89C51单片机的P0.7～P0.0引脚用于将待测信号的频率写入字符型液晶1602。

频率测试系统的工作过程如下：

(1)AT89C51单片机设置分频模式变量FREMODE为0；同时，将P3.0引脚置0；循环检测P1.0引脚。

(2)当按下按键K1使得P1.0引脚为低电平0时，设置定时器中断溢出次数变量OFNUM为0，设置/INT0中断次数变量INTNUM为0；同时，将P3.1引脚置0，控制模拟开关CD4052进入工作状态。

(3)由于此时AT89C51单片机的P3.0引脚为0，所以待测信号直接通过模拟开关CD4052输出引脚x进入AT89C51单片机的/INT0引脚，当该信号的下降沿到来时，引发AT89C51单片机的/INT0中断。

(4)在/INT0中断程序中，由于检测到中断次数变量INTNUM为0；因此，AT89C51单片机启动定时中断0，定时器0开始计时，定时器0工作于模式1，初值为0；并将中断次数变量INTNUM加1。当计数值溢出时，在定时器0的溢出中断程序中，将溢出次数变量OFNUM加1，并再次启动定时中断0。

(5)当待测信号的下降沿第2次到来时，再次引发AT89C51单片机的/INT0中断；此时中断次数变量INTNUM为1，AT89C51单片机关闭定时器0，读取定时器0的计数值，并根据溢出次数和计数值计算出测试周期。

如果该测试周期值大于或等于100us，根据周期值和分频模式变量FREMODE计算信号频率；此时变量分频模式变量FREMODE为0，将周期取倒数便得到待测信号的频率。

如果该测试周期值小于100us，则分频模式变量FREMODE加1，此时，变量分频模式变量FREMODE为1；AT89C51单片机的P1.3～P1.1引脚置为001B，使可编程分频器CD4059工作于10分频状态；AT89C51单片机的P3.0引脚置1，使模拟开关CD4051选择来自可编程分频器CD4059的输出信号；重复过程(1)—(5)，重新检测待测信号频率。若重复过程(1)—(5)后，待测信号的周期值大于或等于100us，则将周期除以10，再取倒数可以得到频率值。

若重复重复过程(1)—(5)后，待测信号的周期值仍然小于100us，则将分频模式变量FREMODE加1，此时，变量分频模式变量FREMODE为2；AT89C51单片机的P1.3～P1.1引脚置为010B，使可编程分频器CD4059工作于100分频状态；AT89C51单片机的P3.0引脚置1，使模拟开关CD4051选择来自可编程分频器CD4059的输出信号；重复过程(1)—(5)，重新检测待测信号频率。若重复过程(1)—(5)后，待测信号的周期值大于或等于100us，则将周期除以100，再取倒数便得到频率值。

若重复过程(1)—(5)后，待测信号的周期值仍然小于100us，则将分频模式变量FREMODE加1。此时，变量分频模式变量FREMODE为3；AT89C51单片机的P1.3～P1.1引脚置为100B，使可编程分频器CD4059工作于1000分频状态；AT89C51单片机的P3.0引脚置1，使模拟开关CD4051选择来自可编程分频器CD4059的输出信号；重复过程(1)—(5)，重新检测待测信号频率。重复过程(1)—(5)后，待测信号的周期值大于或等与100us，将周期除以1000，再取倒数便得到频率值。

下面就具体例子对本发明的频率测试系统的工作过程做出详细说明。

例如，待测信号频率为5MHz，周期为0.2us，其测量过程如下：按下按键K1后，模拟开关CD4052直接选择待测信号进入AT89C51单片机的/INT0引脚，一旦检测到下降沿,AT89C51单片机产生/INT0中断；在/INT0中断程序中，由于中断次数变量INTNUM为0,启动定时中断0，开始计时；当单片机再次检测到引脚/INT0的下降沿，则再次产生/INT0中断；在/INT0中断程序中，由于中断次数变量INTNUM为1,AT89C51单片机关闭定时器0，并读取定时器0的计数值。

由于AT89C51单片机计数时钟周期为1us，因此，对于0.2us的信号，测量误差极大，但由于计时长度小于100us，则将分频模式变量FREMODE加1，此时分频模式变量FREMODE为1，并将分频器设置为10分频，选择10分频后的信号进入模拟开关，重新执行上述步骤；经过10分频后的测试周期为2us，由于中断进入退出等需要花费时间，测量误差还是较大，但由于计时长度仍然小于100us，则将分频模式变量FREMODE加1，此时分频模式变量FREMODE为2，并将分频器设置为100分频，选择100分频后的信号进入模拟开关，重新执行上述步骤；经过100分频后的测试周期为20us，由于中断进入退出等需要花费时间，测量误差还是较大，但由于计时长度仍然小于100us，则将分频模式变量FREMODE加1，此时分频模式变量FREMODE为3，并将分频器设置为1000分频，选择1000分频后的信号进入模拟开关，重新执行上述步骤；经过1000分频后的测试周期为200us，由于此时分频模式变量FREMODE为3，故将测量周期除以1000后，取倒数即可以得到待测信号的频率值。

在上述实施例中，所述可编程分频器CD4059输出连接模拟开关CD4052，通过模拟开关CD4052输出连接AT89C51单片机，用于实现AT89C51单片机智能判断是否需要对待测信号进行智能分频。作为其他实施方式，所述可编程分频器CD4059直接输出连接AT89C51单片机，即，待测信号直接经过10分频后输出连接AT89C51单片机；再由AT89C51单片机确定是否需要继续进行分频操作。

在上述实施例中，所述AT89C51单片机连接液晶1602，用于显示待测信号的频率值。作为其他实施方式，所述AT89C51单片机不连接液晶1602，其内部直接存储待测信号的频率值。

在上述实施例中，所述单片机是AT89C51单片机。作为其他实施方式，所述控制器是其他类型的单片机。

在上述实施例中，所述可编程分频器是CD4059分频器。作为其他实施方式，所述可编程分频器是计数器74LS393构成的分频器。另外，本实施例中，分频比是通过AT89C51单片机的P1.3～P1.1引脚来控制。如果采取其他分频器，则分频比是通过对应的管脚或分频电路来实现。

在上述实施例中，所述模拟开关是CD4052模拟开关。作为其他实施方式，所述模拟开关是其他类型的可控制的通道选择器。

在上述实施例中，AT89C51单片机通过液晶1602显示待测信号的频率值。作为其他实施方式，所述AT89C51单片机通过语音扬声器等其它输出设备输出待测信号的频率值。

Claims

1.一种频率测试方法，其特征在于：包括以下步骤：

(2)对待测信号进行f₁分频处理，之后进行测试，计算处理后得到的测试周期；判断处理后得到的测试周期是否小于设定值；当处理后得到的测试周期大于或等于设定值时，将处理后得到的测试周期除以分频比f₁之后取倒数，生成待测信号的频率值；当处理后得到的测试周期小于设定值时，进行下一步骤；

(3)对待测信号进行f₂分频处理，之后进行测试，计算处理后得到的测试周期；判断处理后得到的测试周期是否小于设定值；当处理后得到的测试周期大于或等于设定值时，将处理后得到的测试周期除以分频比f₂之后取倒数，生成待测信号的频率值；当处理后得到的测试周期小于设定值时，进行下一步骤；

(4)依次类推，对待测信号进行分频处理，直至当对待测信号进行f_n分频处理时，处理后得到的测试周期大于或等于设定值，将处理后得到的测试周期除以分频比f_n之后取倒数，生成待测信号的频率值。

2.根据权利要求1所述的频率测试方法，其特征在于：上述步骤中，所述分频比f₁为10；所述分频比f₂为100；所述分频比f_n为10ⁿ。

3.根据权利要求1或2所述的频率测试方法，其特征在于：所述设定值为100us。

4.一种应用权利要求1所述的频率测试方法的频率测试系统，其特征在于：包括单片机和可编程分频器，所述单片机控制连接所述可编程分频器，用于控制所述可编程分频器的分频比；所述可编程分频器用于连接待测信号；所述可编程分频器输出连接所述单片机；用于将分频后的待测信号输出给单片机进行测试。

5.根据权利要求4所述的频率测试系统，其特征在于：所述频率测试系统还包括模拟开关，所述模拟开关包括两路输入通道和一路输出通道；所述一路输入通道连接所述可编程分频器，另一路输入通道用于连接待测信号；所述输出通道连接所述单片机；所述单片机控制连接所述模拟开关，用于控制所述模拟开关的输入信号来源。

6.根据权利要求4所述的频率测试系统，其特征在于：所述单片机连接液晶显示屏，所述液晶显示屏用于显示待测信号的频率值。