原创 【TI博客大赛】基于MSP430的频率计

本设计以超低功耗单片机MSP430F2274为MCU，以高速的CPLD（EPM570T100C5）实现计数功能。在设计中应用单片机的数学运算和控制功能，使用等精度测量法和测周法相结合的方法，实现了对频率、周期、脉宽的测量。此外，应用LCD显示模块、整形模块、多谐振荡器模块等模块，使得该频率计能够在较宽的频率范围和幅度范围内对多种信号进行测量并显示。该系统既满足0.01%的测量精度要求，也满足系统反应时间的要求，显示界面友好，按键操作简单。

一、方案论证与选择

1.      题目任务要求

设计任务：

（1）频率测量

a．测量范围 信号：方波、正弦波；幅度：0.5V～5V；频率：1Hz～1MHz

b．测量误差≤0.1%

（2）周期测量

a．测量范围 信号：方波、正弦波；幅度：0.5V～5V；频率：1Hz～1MHz

b．测量误差≤0.1%

（3）脉冲宽度测量

a．测量范围 信号：脉冲波；幅度：0.5V～5V；脉冲宽度≥100μs

b．测量误差≤1%

（4）显示器

十进制数字显示，显示刷新时间1～10秒连续可调，对上述三种测量功能分别用不同颜色的发光二极管指示。

根据设计要求，频率计的测量范围要在1Hz~10MHz之间，频率跨度范很大且精度要求较高。特别是，当频率较低（<10HZ）时，很难达到此精度。因此，频标信号频率大小，阀门时间和测频方法的选择都至关重要。

2.方案的比较与选择

测频方法的比较与选择

方案一：直接测频法。利用频率测量的定义，在确定的闸门时间内，利用计数器记录待测信号通过整形后的脉冲数，从而计算出待测信号的频率。此方案对低频信号测量的精度很低，较适合于高频信号的测量。

方案二：测周期法。即以待测信号为门限，用计数器记录在此门限内的高频标准时钟脉冲数，从而确定待测信号的频率。当选定高频时钟脉冲而被测信号频率较低时可以获得很高的精度，而被测信号频率过高时由于测量时间不够会有精度不够的问题，适用于低频信号的测量。

方案三：等精度测频法。测量时间T是由人为设定和被测信号共同决定的。即，在人为设定的时间内，闸门的开启和闭合由被测信号的上升沿来控制，计数器真正开始计数的时刻不是预置闸门的开始时刻，而是预置闸门打开后被测信号的第一个上升沿到来的时刻；同样闸门的关闭时刻不是预置闸门的结束时刻，而是预置闸门关闭后被测信号的第一个上升沿到来的时刻，这种计数方法也叫同步计数法。

为实现0.01Hz—10MHz的频率测量范围，本系统把测周法与等精度测频法相结合。

二、理论分析与计算

1.频率、周期的测量

在测量时间T内系统计数器同时对被测信号fx和标准脉冲信号f0进行计数，若两个计数器的计数值分别为Nx和No，则可计算出被测信号的频率：

Nx=Ts*fx    No=Ts*f0

由上式可以得到：fx=f0*Nx/No

进行频率测量时，最大相对误差为：

由上式可以得出相对误差：

f0引起的误差可忽略，fx的精度只与标准频率的大小和实际闸门时间有关，T最小值为1s。因此理论上，精度可达10^-6

2.脉宽的测量

要对脉宽进行测量，先要把脉冲边沿处理得非常陡峭，然后送入测量计数器进行计数。测量电路在脉冲上升沿到来时开始计数，当脉冲下降沿到来时，停止计数。这一部分采用测周法实现。

在一个脉宽时间频标信号计数值为M，则脉宽为TW=M/f0