???? 介紹應用SPCE061A單片機實現高精度、等精度測頻的原理及方法。利用16位定時/計數器TCA、TCB在同步門內分別對頻標fS、被測頻率fX計數，實現了等精度測頻，由于選擇TCA時鐘源A的最高頻率作為頻標，顯著提高了測頻精度。應用時基信號發生器的4Hz信號中斷源設置了預置門，應用選頻邏輯TMB1中斷源實現了顯示器的定時刷新。該測頻系統具有測頻精度高、測頻范圍可擴展等優點。

1? 引言

??? 凌陽16位單片機SPCE061A以其顯著的特點：高速數據運算能力，強大的中斷處理能力，多種省電模式，功能完善的內部配置，方便的在線實時調試能力，被廣泛應用于電子儀器儀表、工業控制、通信、信號處理等領域。本文介紹應用SPCE061A單片機強大的時鐘系統、時基系統、定時/計數器功能、中斷系統，實現等精度、高精度測頻的原理及方法。

2? 測頻原理及精度分析

2．1? 等精度測頻原理

??? 測頻原理圖如圖1所示，由同步門信號產生電路D觸發器及SPCE061A單片機中16位可預置

圖1? 等精度測頻原理圖

定時/計數器TCA、TCB，系統時鐘電路，時基信號發生器，中斷系統等組成。定時計數器TCA的時鐘源由時鐘源A和時鐘源B進行與操作形成，時鐘源A的可選輸入為：f_OSC/2、f_OSC/256、32768Hz、8192Hz、4096Hz、1、0、EXT1。時鐘源B的可選輸入為：2048Hz、1024Hz、256Hz、TMB1、4Hz、2Hz、1、EXT2。TCB的時鐘源僅為時鐘源A（它與TCA的時鐘源A的輸入完全相同），TCA、TCB按照可重預置加法計數器方式工作。

??? 原理電路中，u_Q為同步門（信號），u_D為預置門（信號）。定時/計數器TCA用于對頻標f_S計數，為了提高測頻精度，f_S選為最高頻率：f_S=f_OSC/2=49.152/2=24.576MHz。TCA設置為時鐘源A選擇f_S=f_OSC/2，時鐘源B選擇外部時鐘EXT2，由時鐘源B輸出的同步門信號控制時鐘源A送出f_S。定時/計數器TCB的時鐘源A設置為選擇外部時鐘源EXT1，用于對同步門內的f_X計數。時基信號發生器的4Hz時基信號用于設置預置門時間，當它產生4次中斷時預置1s時間到，選頻信號TMB1的64Hz時基信號，用作顯示器刷新中斷源，刷新間隔為15.6ms。

??? 測頻開始時，先使D觸發器清零，u_Q=0，TCA、TCB預置初值0x0000，然后使IOB12=1，預置門信號到來，u_D=1。在其后第1個f_X脈沖上升沿F_D置1，u_Q=1，同步門信號到來，定時/計數器TCA開始對頻標f_S計數，TCB開始對被測頻率f_X計數。同時使4Hz時基信號開始工作，當它提出4次定時中斷時，預置1s時間到，使IOB12=0，關閉預置門。在其后第1個f_X脈沖上升沿F_D置0，關閉同步門，TCA、TCB同時停止計數。如圖2所示。若TCA、TCB在同步門內的計數值分別為N_S、N_X，則被測頻率f_X為

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2.2? 測頻精度分析

??? 在本測頻方案中，由于被測頻率f_X與同步門信號u_Q完全同步，因此TCA對f_X的計數沒有量化誤差（±1誤差），而f_S與同步門信號u_Q沒有同步關系，故TCB對f_S的計數有量化誤差存在，其相對量化誤差為

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?? ?其中T₁、T₂分別為預置門時間、同步門時間，T_S為頻標信號周期。由（3）式知，在頻標f_S、預置門時間T₁給定后，|δ_1m|為一常數，而與被測頻率f_X無任何關系。因此，在同一預置門內實現了等精度測頻。本方案的測頻誤差主要由兩項構成：TCA對f_S計數的相對量化誤差δ₁，由（3）式知，當T₁=1s時，因T_S=4.069×10^-8μs,故|δ_1m|=4.069×10^-8；另一項測頻誤差δ₂由頻標信號的準確度引起，它與石英晶體的頻率穩定度有關，通常|δ₂|可以小于10^-11，因此，總測頻誤差|δ|≤|δ_1m|+|δ₂|≈4.069×10^-8。

3? 軟件流程

3．1? 主程序流程

? 主程序主要完成預置門時間的選擇及測頻系統各部件的初始化設置。主程序流程如圖3所示，通過IOA口掃描鍵盤，以確定欲設置的預置門時間。對各部件初始化設置如下：D觸發器F_D的初始化；使IOB11端輸出負脈沖，Q端置0；定時/計數器TCA、TCB的初始化；通過編程定時器控制字，使TCA的時鐘源A選擇頻標信號f_S=f_OSC/2=24.576MHz，時鐘源B選擇外部時鐘EXT2。TCB的時鐘源A選擇外部時鐘EXT1，TCA、TCB的預置值均為0x0000。由于本測頻系統最大預置門時間為10s，在10s內，TCA對頻標信號的計數值為N_S=10s×f_S=24.576×10⁷，而TCA的最大計數值為2¹⁶=65536，因此，需要一軟件計數器STA，又因10s內TCA的溢出次數為24.576×10⁷/2¹⁶=3750，因此只需要一個存貯單元的軟件計數器。類似TCB在10S內對被測頻率f_X的計數也需要一個存貯單元軟件計數器STB。置STA（0x0010）、STB（0x0011）的初值為0x0000。與時基計數器有關的初始化：本測頻方案使用4Hz時基信號中斷源實現預置門時間的設置。4Hz時基信號開始工作時需要時基計數器清零，同時，計錄4Hz時基信號的中斷次數需要一個存貯單元的軟件計數器ST4，當預置門時間為1s時，ST4（0x0012）的初值為0x0004。

圖3? 主程序流程圖

3．2? 4Hz時基信號中斷服務功能

?? 測頻系統中，對預置門時間的控制及測頻結果的計算都在4Hz時基信號中斷服務中完成。進入中斷服務時，將4Hz軟件計數器ST4減1，若減1后ST4為0，說明定時1s到，關閉預置門，u_D=0，然后等待同步門u_Q關閉，在同步門關閉后（u_Q=0），讀取TCA、TCB的計數值N_A1、N_B1，N_A1與軟件計數器STA計數值N_A2組成了在同步門期間對f_S的總計數值N_S。類似，TCB的計數值N_B1與軟件計數值STB的計數值N_B2組成了在同步門期間對f_X的總計數值N_X。然后計算對f_X的測量結果，f_X=N_Xf_S/N_S，并轉換為ANSCII碼后存入顯示緩沖區（0x0020-0x0028）。在中斷返回前，需要打開預置門，置4Hz軟件計數器ST4初值為0x0004，置時基計數器初值為零。

?? 上述討論測頻系統的原理時，假設預置門時間為1s，若預置門時間取最大值10s，則相應的4Hz軟件計數器ST4的初值為0x0028，測頻精度為│δ│≤4.069×10^-9。本方案的直接測頻最大值為f_X=24.576MHz，若給輸入端增加分頻器（分頻系數N=40），則可測量的最大頻率為1000MHz。本方案的顯著特點是測頻精度高，當預置門時間為1s、10s時，測頻誤差分別小于4.069×10^-8,4.069×10^-9，且在同一預置門時間內對不同頻率實現了等精度測量。

??? 本文作者創新點：通過4Hz時基信號中斷源與D觸發器的配合產生了同步門信號，通過同步門信號對定時/計數器TCA、TCB的控制，實現了對被測頻率f_x的等精度測量，通過選擇TCA時鐘源A的最高頻率作為頻標，顯著提高了測頻精度。應用選頻邏輯TMB1中斷源實現了顯示器的定時刷新，設計的測頻系統具有測頻精度高、測頻范圍可擴展等優點。

參 考 文 獻

[1] 羅亞非.凌陽16位單片機應用基礎[M].北京：航空航天大學出版社，2005:1-45

[2] 李殊驍等.基于可編程邏輯器件的等精度頻率計[J].微計算機信息，2005.7：113-114

[3] 盧勝利.智能儀器設計與實現[M].重慶：重慶大學出版社，2003:112-167