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用PIC16F87X单片机实现高分辨率频率计的一种方法

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  1 引言

  随着电子技术的迅速发展,以单片机为控制核心的控制器件,已经全面渗透到测试仪器和计量检定的各个方面。同时,频率计作为一种常用工具,在工程技术和无线电测量、计量等领域的应用十分广泛。本文介绍了一种以PIC16F87X系列单片机为控制器的高分辨率频率计的实现方法。

  该方法设计的频率计主要用来测量脉冲频率。它采用LCD图形液晶显示,清晰度高,可视范围广,可外接晶体频率源,具有测量速度快、分辨率高的优点。

  2 设计原理

  PIC16F877A单片机内部集成有捕捉/比较/脉宽调制PWM (CCP)模块。当CCP工作在捕捉(capture)方式时,可捕捉外部输入脉冲的上升沿或下降沿,并产生相应的中断。

  PIC16F877A单片机内部还集成了定时器/计数器模块,在本方案中采用其中的TMR1作为定时器,该定时器的工作原理是通过TMR1“寄存器对”TMR1H:TMR1L从0000H递增到FFFFH,之后再返回0000H时,会产生高位溢出,并且将会设置溢出中断标志位TMR1IF为I,同时引起CPU中断响应。

  在均匀的脉冲序列中,脉冲频率值等于单位时间内发生的脉冲次数。根据这个原理,可以采用PIC16F87X系列单片机(本文以PIC16F877A型单片机为例)内置定时器模块TMR1计时,同时使用CCP模块的捕捉功能,每间隔n(n=1,4,16)个脉冲捕捉一次并产生中断,记录第1个和第(m-1)*n+1个脉冲到来时的定时器计时t1和tm,如图1所示。

  

 

  图1脉冲捕捉示意图

  用被捕捉的脉冲次数除以第1次和第(m-1)*n+1次脉冲之间间隔的时间即可得到脉冲频率值。因此,脉冲频率值计算公式为:

  

 

  3 被测频率值范围

  在测试过程中,需要特别注意的是,两次CCP中断的时间间隔必须大于1次中断服务的执行时间。否则,如果在中断服务程序执行时又发生CCP中断,就不能正常工作。

  根据上述条件,则有:

  

 

  由上式得到:

  

 

  式中:

  SCCP — 表示捕捉分频倍数。

  fx — 表示被测频率t

  TCYC —表示系统时钟周期。

  N —表示中断所需最小指令周期数。

  设定:SCCP=16,N=40,TCYC= 4/20MHz = 0.2 us,则: fx<2,000,000Hz

  由此可知,实际频率测量范围在0-2 MHz之间。

  若需测量更大频率,可以根据需要在待测频率和CPU的CCP口之间接入相应倍数的分频器,每接入一个1/n倍分频器,可测频率范围可扩大n倍(如图2所示)。如在待测频率和CCP口之间接入三个1/10倍分频器,则可测频率范围为0~2 GHz。

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