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(shè)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(jié)構(gòu)簡單、成本低和測頻精度高等特點,，適合測量高頻小信號,。
關(guān)鍵詞： 等精度頻率測量；頻率計,；STC12C5A60S2

     在電子技術(shù)領(lǐng)域,，頻率是最基本的電參數(shù)之一，也是電子測量中最基本的測量之一。隨著科學(xué)技術(shù)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(yīng)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(shè)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(nèi)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(nèi)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(guān),，因此在整個測頻范圍內(nèi)，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(shè)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(chǎn)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(dāng)于普通8051的0~420 MHz。
選用STC12C5A60S2單片機還有兩大優(yōu)點：
?。?）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(dāng)被測信號的頻率為高頻（fx≥10 MHz）時,，國內(nèi)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(shè)被測信號的頻率為15 MHz,，通常都是將被測信號經(jīng)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(dǎo)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(shè)計的放大整形電路如圖3所示,。輸入信號首先經(jīng)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(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，由單片機的計數(shù)器0（計數(shù)器B）精確計數(shù)在此脈沖內(nèi)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(nèi)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(shè)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(shè)置相應(yīng)的寄存器,，使其工作于真正的1T,。

4 測量結(jié)果與誤差分析
4.1 測量結(jié)果

　給電路加+5 V電壓，通過NW1640B調(diào)頻,、調(diào)幅函數(shù)信號發(fā)生器輸入被測信號,。將所測信號頻率與標(biāo)準輸入信號頻率比較，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,，不僅可以擴大測頻范圍,，而且可以提高測頻精度。
    （2）適當(dāng)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(shè)計的頻率計在0~16 MHz的頻率范圍內(nèi)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(jié)構(gòu),，又降低了成本,，具有較高的實用價值。
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