摘 要： 基于傳統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展，對被測信號頻率測量的精度要求越來越高。傳統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，與傳統的頻率測量原理相比，其優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個計數器在同一個閘門時間T內分別對fx和f0進行計數，計數器A的計數值Nx=fxT，計數器B的計數值N0=f0T。因此，被測信號的頻率fx公式為：
圖1中，D觸發器的作用是使閘門信號與被測信號同步，實現同步開門，并且開門時間T準確地等于被測信號周期的整數倍，因此計數器A的計數值Nx消除了傳統測頻方法中的±1計數誤差。計數器B雖然有±1計數誤差，但由于f0很高，N0>>1，因此N0的±1計數誤差的相對值±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，該框圖能實現等精度的頻率測量。
2 系統硬件組成
本系統主要由放大整形電路、信號頻率測量電路和數碼管顯示電路組成。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。
針對上述現狀，本系統選用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計數誤差的相對值 ±1/N0越趨于0，從而提高了測頻精度。
（2）頻率分辨率很低。當被測信號的頻率為高頻（fx≥10 MHz）時，國內外現有的研究方案通常是將被測信號分頻后送給單片機計數測頻。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分頻以后變為1.5 MHz，然后送給單片機計數測頻，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，由單片機的計數器0（計數器B）精確計數在此脈沖內基準時鐘脈沖的個數N0。
被測信號fx同時輸入到D觸發器的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器1（即計數器A）外部計數輸入脈沖的個數。此時，由計數器1計數在同步化的閘門脈沖內被測信號脈沖的個數Nx。
2.4 數碼管顯示電路
本系統采用8 bit數碼管動態顯示電路。該電路不但節約端口資源，而且由于每個時刻只有一個數碼管被點亮，因此該顯示電路的功耗很小。
3 系統軟件設計
本系統的主程序流程圖如圖5所示。由于本系統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、調幅函數信號發生器輸入被測信號。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定性。本系統充分利用了STC12C5A60S2單片機的性能優勢，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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