摘 要：基于传统测频原理的频率计的测量精度随被测信号频率的变化而变化。针对这一缺陷，提出了一种基于等精度测量原理的频率计设计方案。选用单时钟/机器周期的单片机STC12C5A60S2，其克服了普通8051单片机测频上限频率低的缺陷，从而满足了对高频信号进行测频的要求。该频率计具有电路结构简单、成本低和测频精度高等特点，适合测量高频小信号。
关键词：等精度频率测量；频率计；STC12C5A60S2
在电子技术领域，频率是最基本的电参数之一，也是电子测量中最基本的测量之一。随着科学技术的迅速发展，对被测信号频率测量的精度要求越来越高。传统的直接测频法的测量精度随被测信号频率的降低而降低；直接测周法的测频精度随被测信号频率的升高而降低，在实际应用中存在着较大的局限性；而等精度测频法不仅具有较高的测频精度，而且在整个频率区域能保持恒定的测频精度。本文介绍了以STC12C5A60S2单片机为主控芯片的高频高精度数字频率计的设计方案。
1 等精度测频基本原理
等精度频率测量也称为多周期同步测量，与传统的频率测量原理相比，其优点是可在整个测频范围内获得同样高的测试精度和分辨率。其测量原理如图1所示，其工作时间波形图如图2所示。其中，fx为输入信号的频率，f0为基准信号的频率。A、B 2个计数器在同一个闸门时间T内分别对fx和f0进行计数，计数器A的计数值Nx=fxT，计数器B的计数值N0=f0T。因此，被测信号的频率fx公式为：
图1中，D触发器的作用是使闸门信号与被测信号同步，实现同步开门，并且开门时间T准确地等于被测信号周期的整数倍，因此计数器A的计数值Nx消除了传统测频方法中的±1计数误差。计数器B虽然有±1计数误差，但由于f0很高，N0>>1，因此N0的±1计数误差的相对值±1/N0很小，且该误差与被测信号的频率fx无关，因此在整个测频范围内，该框图能实现等精度的频率测量。
2 系统硬件组成
本系统主要由放大整形电路、信号频率测量电路和数码管显示电路组成。放大整形电路主要用来对被测信号（三角波、方波、正弦波及锯齿波等）进行峰峰值放大处理，再整形为矩形波，同时去除噪声干扰。本系统选用32 MHz的石英晶振作为基准信号，从而保证测频精度。
2.1 STC12C5A60S2单片机
在测高频信号时，由于普通51单片机在确认一次负跳变时需要2个机器周期，即24个时钟周期，因此外部输入信号的最大频率为系统振荡器频率的。假设选用32 MHz的晶振，普通51单片机所测信号的最大频率为1.33 MHz，显然普通51单片机所测信号的上限频率太小。
针对上述现状，本系统选用STC12C5A60S2型号的单片机。它是宏晶科技生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是一种高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，其指令集完全兼容传统8051指令集，但速度为8051的812倍，工作电压为3.3~5.5 V，工作频率范围为0~35 MHz，相当于普通8051的0~420 MHz。
选用STC12C5A60S2单片机还有两大优点：
（1）提高测频精度。普通51单片机的最大工作频率为24 MHz，而STC12C5A60S2单片机的最大工作频率为35 MHz。工作频率越高，N0的±1计数误差的相对值 ±1/N0越趋于0，从而提高了测频精度。
（2）频率分辨率很低。当被测信号的频率为高频（fx≥10 MHz）时，国内外现有的研究方案通常是将被测信号分频后送给单片机计数测频。例如，假设被测信号的频率为15 MHz，通常都是将被测信号经过10分频以后变为1.5 MHz，然后送给单片机计数测频，这样频率分辨率则为10 Hz，导致测量误差很大。而采用STC12C5A60S2单片机可将15 MHz的被测信号直接送给单片机计数测频，使频率分辨率降为1 Hz，大大减小了测量误差。
2.2 放大整形电路
本系统设计的放大整形电路如图3所示。输入信号首先经高精度大带宽运算放大器OPA690放大，然后被超快低功耗精密比较器LM361整形，最后输出的矩形波信号送入频率测量电路。
STC12C5A60S2单片机的P1.5口用来预置闸门脉冲。D触发器的输出端（Q端）输出同步化的闸门脉冲，此脉冲经过与门输入到P3.2，由单片机的计数器0（计数器B）精确计数在此脉冲内基准时钟脉冲的个数N0。
被测信号fx同时输入到D触发器的CP端和与门的输入端，由与门输出端输出到P3.5口。P3.5口的第二功能定义是计数器1（即计数器A）外部计数输入脉冲的个数。此时，由计数器1计数在同步化的闸门脉冲内被测信号脉冲的个数Nx。
2.4 数码管显示电路
本系统采用8 bit数码管动态显示电路。该电路不但节约端口资源，而且由于每个时刻只有一个数码管被点亮，因此该显示电路的功耗很小。
3 系统软件设计
本系统的主程序流程图如图5所示。由于本系统采用的处理器是单时钟/机器周期（1T）的STCRC5A60S2单片机，因此在软件初始化时需设置相应的寄存器，使其工作于真正的1T。
4 测量结果与误差分析
4.1 测量结果
给电路加+5 V电压，通过NW1640B调频、调幅函数信号发生器输入被测信号。将所测信号频率与标准输入信号频率比较，记录结果如表1所示。
4.3 减小误差的措施
减小误差的措施主要有：
（1）选用频率较高、稳定性较好的晶振。如选用32 MHz的晶振，不仅可以扩大测频范围，而且可以提高测频精度。
（2）适当扩大闸门时间，可以减少对超低频信号的测量误差。
本系统设计的频率计在0~16 MHz的频率范围内具有相同的测频精度和稳定性。本系统充分利用了STC12C5A60S2单片机的性能优势，既简化了电路结构，又降低了成本，具有较高的实用价值。
参考文献
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