摘 要： 基于傳統(tǒng)測頻原理的頻率計的測量精度隨被測信號頻率的變化而變化。針對這一缺陷，提出了一種基于等精度測量原理的頻率計設計方案。選用單時鐘/機器周期的單片機STC12C5A60S2，其克服了普通8051單片機測頻上限頻率低的缺陷，從而滿足了對高頻信號進行測頻的要求。該頻率計具有電路結構簡單、成本低和測頻精度高等特點，適合測量高頻小信號。
關鍵詞： 等精度頻率測量；頻率計；STC12C5A60S2
在電子技術領域，頻率是最基本的電參數(shù)之一，也是電子測量中最基本的測量之一。隨著科學技術的迅速發(fā)展，對被測信號頻率測量的精度要求越來越高。傳統(tǒng)的直接測頻法的測量精度隨被測信號頻率的降低而降低；直接測周法的測頻精度隨被測信號頻率的升高而降低，在實際應用中存在著較大的局限性；而等精度測頻法不僅具有較高的測頻精度，而且在整個頻率區(qū)域能保持恒定的測頻精度。本文介紹了以STC12C5A60S2單片機為主控芯片的高頻高精度數(shù)字頻率計的設計方案。
1 等精度測頻基本原理
等精度頻率測量也稱為多周期同步測量，與傳統(tǒng)的頻率測量原理相比，其優(yōu)點是可在整個測頻范圍內獲得同樣高的測試精度和分辨率。其測量原理如圖1所示，其工作時間波形圖如圖2所示。其中，fx為輸入信號的頻率，f0為基準信號的頻率。A、B 2個計數(shù)器在同一個閘門時間T內分別對fx和f0進行計數(shù)，計數(shù)器A的計數(shù)值Nx=fxT，計數(shù)器B的計數(shù)值N0=f0T。因此，被測信號的頻率fx公式為：
圖1中，D觸發(fā)器的作用是使閘門信號與被測信號同步，實現(xiàn)同步開門，并且開門時間T準確地等于被測信號周期的整數(shù)倍，因此計數(shù)器A的計數(shù)值Nx消除了傳統(tǒng)測頻方法中的±1計數(shù)誤差。計數(shù)器B雖然有±1計數(shù)誤差，但由于f0很高，N0>>1，因此N0的±1計數(shù)誤差的相對值±1/N0很小，且該誤差與被測信號的頻率fx無關，因此在整個測頻范圍內，該框圖能實現(xiàn)等精度的頻率測量。
2 系統(tǒng)硬件組成
本系統(tǒng)主要由放大整形電路、信號頻率測量電路和數(shù)碼管顯示電路組成。放大整形電路主要用來對被測信號（三角波、方波、正弦波及鋸齒波等）進行峰峰值放大處理，再整形為矩形波，同時去除噪聲干擾。本系統(tǒng)選用32 MHz的石英晶振作為基準信號，從而保證測頻精度。
2.1 STC12C5A60S2單片機
在測高頻信號時，由于普通51單片機在確認一次負跳變時需要2個機器周期，即24個時鐘周期，因此外部輸入信號的最大頻率為系統(tǒng)振蕩器頻率的。假設選用32 MHz的晶振，普通51單片機所測信號的最大頻率為1.33 MHz，顯然普通51單片機所測信號的上限頻率太小。
針對上述現(xiàn)狀，本系統(tǒng)選用STC12C5A60S2型號的單片機。它是宏晶科技生產的單時鐘/機器周期（1T）的單片機，是一種高速、低功耗、超強抗干擾的新一代8051單片機，其指令集完全兼容傳統(tǒng)8051指令集，但速度為8051的812倍，工作電壓為3.3~5.5 V，工作頻率范圍為0~35 MHz，相當于普通8051的0~420 MHz。
選用STC12C5A60S2單片機還有兩大優(yōu)點：
（1）提高測頻精度。普通51單片機的最大工作頻率為24 MHz，而STC12C5A60S2單片機的最大工作頻率為35 MHz。工作頻率越高，N0的±1計數(shù)誤差的相對值 ±1/N0越趨于0，從而提高了測頻精度。
?。?）頻率分辨率很低。當被測信號的頻率為高頻（fx≥10 MHz）時，國內外現(xiàn)有的研究方案通常是將被測信號分頻后送給單片機計數(shù)測頻。例如，假設被測信號的頻率為15 MHz，通常都是將被測信號經過10分頻以后變?yōu)?.5 MHz，然后送給單片機計數(shù)測頻，這樣頻率分辨率則為10 Hz，導致測量誤差很大。而采用STC12C5A60S2單片機可將15 MHz的被測信號直接送給單片機計數(shù)測頻，使頻率分辨率降為1 Hz，大大減小了測量誤差。
2.2 放大整形電路
本系統(tǒng)設計的放大整形電路如圖3所示。輸入信號首先經高精度大帶寬運算放大器OPA690放大，然后被超快低功耗精密比較器LM361整形，最后輸出的矩形波信號送入頻率測量電路。
STC12C5A60S2單片機的P1.5口用來預置閘門脈沖。D觸發(fā)器的輸出端（Q端）輸出同步化的閘門脈沖，此脈沖經過與門輸入到P3.2，由單片機的計數(shù)器0（計數(shù)器B）精確計數(shù)在此脈沖內基準時鐘脈沖的個數(shù)N0。
被測信號fx同時輸入到D觸發(fā)器的CP端和與門的輸入端，由與門輸出端輸出到P3.5口。P3.5口的第二功能定義是計數(shù)器1（即計數(shù)器A）外部計數(shù)輸入脈沖的個數(shù)。此時，由計數(shù)器1計數(shù)在同步化的閘門脈沖內被測信號脈沖的個數(shù)Nx。
2.4 數(shù)碼管顯示電路
本系統(tǒng)采用8 bit數(shù)碼管動態(tài)顯示電路。該電路不但節(jié)約端口資源，而且由于每個時刻只有一個數(shù)碼管被點亮，因此該顯示電路的功耗很小。
3 系統(tǒng)軟件設計
本系統(tǒng)的主程序流程圖如圖5所示。由于本系統(tǒng)采用的處理器是單時鐘/機器周期（1T）的STCRC5A60S2單片機，因此在軟件初始化時需設置相應的寄存器，使其工作于真正的1T。
4 測量結果與誤差分析
4.1 測量結果
給電路加+5 V電壓，通過NW1640B調頻、調幅函數(shù)信號發(fā)生器輸入被測信號。將所測信號頻率與標準輸入信號頻率比較，記錄結果如表1所示。
4.3 減小誤差的措施
減小誤差的措施主要有：
（1）選用頻率較高、穩(wěn)定性較好的晶振。如選用32 MHz的晶振，不僅可以擴大測頻范圍，而且可以提高測頻精度。
（2）適當擴大閘門時間，可以減少對超低頻信號的測量誤差。
本系統(tǒng)設計的頻率計在0~16 MHz的頻率范圍內具有相同的測頻精度和穩(wěn)定性。本系統(tǒng)充分利用了STC12C5A60S2單片機的性能優(yōu)勢，既簡化了電路結構，又降低了成本，具有較高的實用價值。
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