摘 要： 基于傳統(tǒng)測(cè)頻原理的頻率計(jì)的測(cè)量精度隨被測(cè)信號(hào)頻率的變化而變化。針對(duì)這一缺陷，提出了一種基于等精度測(cè)量原理的頻率計(jì)設(shè)計(jì)方案。選用單時(shí)鐘/機(jī)器周期的單片機(jī)STC12C5A60S2，其克服了普通8051單片機(jī)測(cè)頻上限頻率低的缺陷，從而滿足了對(duì)高頻信號(hào)進(jìn)行測(cè)頻的要求。該頻率計(jì)具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低和測(cè)頻精度高等特點(diǎn)，適合測(cè)量高頻小信號(hào)。
關(guān)鍵詞： 等精度頻率測(cè)量；頻率計(jì)；STC12C5A60S2
在電子技術(shù)領(lǐng)域，頻率是最基本的電參數(shù)之一，也是電子測(cè)量中最基本的測(cè)量之一。隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，對(duì)被測(cè)信號(hào)頻率測(cè)量的精度要求越來越高。傳統(tǒng)的直接測(cè)頻法的測(cè)量精度隨被測(cè)信號(hào)頻率的降低而降低；直接測(cè)周法的測(cè)頻精度隨被測(cè)信號(hào)頻率的升高而降低，在實(shí)際應(yīng)用中存在著較大的局限性；而等精度測(cè)頻法不僅具有較高的測(cè)頻精度，而且在整個(gè)頻率區(qū)域能保持恒定的測(cè)頻精度。本文介紹了以STC12C5A60S2單片機(jī)為主控芯片的高頻高精度數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)方案。
1 等精度測(cè)頻基本原理
等精度頻率測(cè)量也稱為多周期同步測(cè)量，與傳統(tǒng)的頻率測(cè)量原理相比，其優(yōu)點(diǎn)是可在整個(gè)測(cè)頻范圍內(nèi)獲得同樣高的測(cè)試精度和分辨率。其測(cè)量原理如圖1所示，其工作時(shí)間波形圖如圖2所示。其中，fx為輸入信號(hào)的頻率，f0為基準(zhǔn)信號(hào)的頻率。A、B 2個(gè)計(jì)數(shù)器在同一個(gè)閘門時(shí)間T內(nèi)分別對(duì)fx和f0進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器A的計(jì)數(shù)值Nx=fxT，計(jì)數(shù)器B的計(jì)數(shù)值N0=f0T。因此，被測(cè)信號(hào)的頻率fx公式為：
圖1中，D觸發(fā)器的作用是使閘門信號(hào)與被測(cè)信號(hào)同步，實(shí)現(xiàn)同步開門，并且開門時(shí)間T準(zhǔn)確地等于被測(cè)信號(hào)周期的整數(shù)倍，因此計(jì)數(shù)器A的計(jì)數(shù)值Nx消除了傳統(tǒng)測(cè)頻方法中的±1計(jì)數(shù)誤差。計(jì)數(shù)器B雖然有±1計(jì)數(shù)誤差，但由于f0很高，N0>>1，因此N0的±1計(jì)數(shù)誤差的相對(duì)值±1/N0很小，且該誤差與被測(cè)信號(hào)的頻率fx無關(guān)，因此在整個(gè)測(cè)頻范圍內(nèi)，該框圖能實(shí)現(xiàn)等精度的頻率測(cè)量。
2 系統(tǒng)硬件組成
本系統(tǒng)主要由放大整形電路、信號(hào)頻率測(cè)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(duì)被測(cè)信號(hào)（三角波、方波、正弦波及鋸齒波等）進(jìn)行峰峰值放大處理，再整形為矩形波，同時(shí)去除噪聲干擾。本系統(tǒng)選用32 MHz的石英晶振作為基準(zhǔn)信號(hào)，從而保證測(cè)頻精度。
2.1 STC12C5A60S2單片機(jī)
在測(cè)高頻信號(hào)時(shí)，由于普通51單片機(jī)在確認(rèn)一次負(fù)跳變時(shí)需要2個(gè)機(jī)器周期，即24個(gè)時(shí)鐘周期，因此外部輸入信號(hào)的最大頻率為系統(tǒng)振蕩器頻率的。假設(shè)選用32 MHz的晶振，普通51單片機(jī)所測(cè)信號(hào)的最大頻率為1.33 MHz，顯然普通51單片機(jī)所測(cè)信號(hào)的上限頻率太小。
針對(duì)上述現(xiàn)狀，本系統(tǒng)選用STC12C5A60S2型號(hào)的單片機(jī)。它是宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期（1T）的單片機(jī)，是一種高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，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(dāng)于普通8051的0~420 MHz。
選用STC12C5A60S2單片機(jī)還有兩大優(yōu)點(diǎn)：
?。?）提高測(cè)頻精度。普通51單片機(jī)的最大工作頻率為24 MHz，而STC12C5A60S2單片機(jī)的最大工作頻率為35 MHz。工作頻率越高，N0的±1計(jì)數(shù)誤差的相對(duì)值 ±1/N0越趨于0，從而提高了測(cè)頻精度。
?。?）頻率分辨率很低。當(dāng)被測(cè)信號(hào)的頻率為高頻（fx≥10 MHz）時(shí)，國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的研究方案通常是將被測(cè)信號(hào)分頻后送給單片機(jī)計(jì)數(shù)測(cè)頻。例如，假設(shè)被測(cè)信號(hào)的頻率為15 MHz，通常都是將被測(cè)信號(hào)經(jīng)過10分頻以后變?yōu)?.5 MHz，然后送給單片機(jī)計(jì)數(shù)測(cè)頻，這樣頻率分辨率則為10 Hz，導(dǎo)致測(cè)量誤差很大。而采用STC12C5A60S2單片機(jī)可將15 MHz的被測(cè)信號(hào)直接送給單片機(jī)計(jì)數(shù)測(cè)頻，使頻率分辨率降為1 Hz，大大減小了測(cè)量誤差。
2.2 放大整形電路
本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的放大整形電路如圖3所示。輸入信號(hào)首先經(jīng)高精度大帶寬運(yùn)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(hào)送入頻率測(cè)量電路。
STC12C5A60S2單片機(jī)的P1.5口用來預(yù)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(jīng)過與門輸入到P3.2，由單片機(jī)的計(jì)數(shù)器0（計(jì)數(shù)器B）精確計(jì)數(shù)在此脈沖內(nèi)基準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖的個(gè)數(shù)N0。
被測(cè)信號(hào)fx同時(shí)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(jì)數(shù)器1（即計(jì)數(shù)器A）外部計(jì)數(shù)輸入脈沖的個(gè)數(shù)。此時(shí)，由計(jì)數(shù)器1計(jì)數(shù)在同步化的閘門脈沖內(nèi)被測(cè)信號(hào)脈沖的個(gè)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(dòng)態(tài)顯示電路。該電路不但節(jié)約端口資源，而且由于每個(gè)時(shí)刻只有一個(gè)數(shù)碼管被點(diǎn)亮，因此該顯示電路的功耗很小。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
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(shí)鐘/機(jī)器周期（1T）的STCRC5A60S2單片機(jī)，因此在軟件初始化時(shí)需設(shè)置相應(yīng)的寄存器，使其工作于真正的1T。
4 測(cè)量結(jié)果與誤差分析
4.1 測(cè)量結(jié)果
給電路加+5 V電壓，通過NW1640B調(diào)頻、調(diào)幅函數(shù)信號(hào)發(fā)生器輸入被測(cè)信號(hào)。將所測(cè)信號(hào)頻率與標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)頻率比較，記錄結(jié)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(kuò)大測(cè)頻范圍，而且可以提高測(cè)頻精度。
（2）適當(dāng)擴(kuò)大閘門時(shí)間，可以減少對(duì)超低頻信號(hào)的測(cè)量誤差。
本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的頻率計(jì)在0~16 MHz的頻率范圍內(nèi)具有相同的測(cè)頻精度和穩(wěn)定性。本系統(tǒng)充分利用了STC12C5A60S2單片機(jī)的性能優(yōu)勢(shì)，既簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)，又降低了成本，具有較高的實(shí)用價(jià)值。
參考文獻(xiàn)
[1] 肖春芳，韓緒鵬.基于單片機(jī)控制的數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2012，20（1）：140-143.
[2] 葉軍，于霞.基于單片機(jī)的頻率計(jì)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].青海大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，29（2）：12-14.
[3] 樓然苗，李光飛.單片機(jī)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)[M].北京：北京航天航空大學(xué)出版社，2007：14-15.
[4] 劉安芝，陳尚松，李楠.電子儀器儀表設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007：3-8.
[5] 余水寶.一種精度可預(yù)置的高精度測(cè)頻方法[J].浙江師范大學(xué)學(xué)報(bào)，1995，18（2）：7-12.