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(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，其工作時間波形圖。其中，fx為輸入信號的頻率，f0為基準信號的頻率。A、B2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(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倍，因此計數器A的計數值Nx消除了傳統(tǒng)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(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32MHz的石英晶振作為基準信號，從而保證測頻精度。

2.1STC12C5A60S2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32MHz的晶振，普通51單片機所測信號的最大頻率為1.33MHz，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3.3~5.5V，工作頻率范圍為0~35MHz，相當于普通8051的0~420MHz。

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24MHz，而STC12C5A60S2單片機的最大工作頻率為35MHz。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≥10MHz）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測頻。例如，假設被測信號的頻率為15MHz，通常都是將被測信號經過10分頻以后變?yōu)?.5MHz，然后送給單片機計數測頻，這樣頻率分辨率則為10Hz，導致測量誤差很大。而采用STC12C5A60S2單片機可將15MHz的被測信號直接送給單片機計數測頻，使頻率分辨率降為1Hz，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。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(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。

2.3頻率測量電路

本系統(tǒng)設計的頻率測量電路如圖4所示。

2.4數碼管顯示電路

本系統(tǒng)采用8bit數碼管動態(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。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+5V電壓，通過NW1640B調頻、調幅函數信號發(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。

4.2誤差分析

上述測頻方法的測量誤差公式為

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32MHz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0~16MHz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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