基于軌至軌高速比較器的頻率計設計與實現

文/朱偉

頻率計是獲取未知信號頻率的精密測量裝置，頻率測量電路不斷更新發展，先后出現了TTL數字集成電路，專用大型IC，如ICM7216頻率計芯片，單片機數字頻率測量，FPGA高速處理器頻率測量等，前兩種方案現在已經基本淘汰，FPGA高速處理器適合高頻率高精度信號測量，但該方法實現成本高且編程復雜，在一些小型設備中并不實用。本文提出基于低成本高性能STC8A8K16S4A12 單片機的頻率計的設計方法，高速比較器 TLV3501用于對前級輸入信號進行整形，該器件延遲時間為4.5ns，輸入失調電壓小于6.5mV，小信號比較效果好，能將微弱的交流電壓信號轉換為 TTL電平，可以被單片機端口直接識別。

1 系統整體方案設計

系統總體框圖如圖1所示。采用TLV3501 軌對軌高速比較器對輸入信號進行比較整形，當被測信號幅值為100 mV～2 V 的正弦波信號時，通過直通開關輸入TLV3501進行比較，信號幅值大于2V時，直通開關斷開，信號經過一個電阻Π型衰減器，衰減20dB后輸入。如幅值2V的輸入信號經過衰減得到200mV 信號，送比較器作比較，輸出效果良好，通過衰減最大可以滿足幅值為20V的輸入信號測量，且不需要再設計其他硬件電路，調試也比較簡單。

系統以STC8A8K16S4A12單片機為控制核心，被測信號變成方波信號后，利用單片機的定時/計數器功能對其進行計數。編寫相應的程序可以使單片機完成計數、運算和測量參數顯示等功能。系統使用直流5V供電，使用高精度溫補晶振作時鐘源，以及16位定時器重載工作方式來進一步提高測量精度。

圖1：頻率計方案設計框圖

圖2：TLV3501比較整形電路原理圖

2 硬件部分設計

2.1 軌至軌高速比較整形電路

考慮被測信號頻率和幅值的隨機性，當輸入信號幅值為毫伏量級的微弱信號時，單片機輸入引腳不能直接識別，必須通用整形電路處理，通常由寬帶放大器放大再經高速比較器比較才可以得到脈沖信號，但是引入放大器件在高頻輸入時容易自激，抗干擾能力也差，普通高速比較器也不能直接輸出TTL信號，單片機讀取錯誤率高，故嘗試采用德州儀器公司的高速軌至軌比較器TLV3501 將正弦波轉換為方波，該器件是推挽輸出的比較器，其輸出邏輯電平取決于比較器的電源電壓，并且屬于軌至軌I/O，能輸出標準TTL信號，同時具有低延遲時間4.5 ns，輸入失調電壓小于6.5mV，非常適合低電壓高速信號的比較。如圖2所示。

圖3：Π型衰減電路原理圖

2.2 衰減器電路

衰減器的主要功能是衰減大幅度輸入信號，與TLV3501的輸入電壓范圍一致。這里采用一簡單Π型衰減器（圖3）將其衰減20dB。經過衰減器輔助設計工具軟件計算，得R3=R5=61.11Ω，R4=247.5Ω，設計時選用E24系列電阻，取值R3=R5=62Ω，R4=240Ω，則實際衰減值為19.68dB。

2.3 單片機控制電路

頻率計的控制核心選用宏晶科技有限公司生產的STC8A8K16S4A12單片機，該單片機是超高速8051內核，比傳統8051快12倍以上，指令代碼兼容傳統8051，具有豐富的外設和片上資源，成本低，應用較為方便。頻率計MCU最小系統原理如圖4所示，MCU的時鐘可以在內部IRC和外部時鐘之間配置，最高工作頻率為33Mhz，這里為了提高頻率測量精度和測量上限，選用32Mhz溫補有源晶振作為外部時鐘源，精度+-1.5ppm，晶振輸出振蕩信號經第9引腳送入單片機。

3 軟件部分設計

頻率計的軟件設計采用Keil C語言設計，整體采用功能模塊化設計方法，程序有初始化模塊、定時計數器功能模塊、計算和顯示等模塊組成。系統軟件流程如圖5 所示。上電后，首先初始化MCU，然后將T0設置為計數器模式，并將T1設置為2ms自動重載定時器工作模式。在每次進入定時器中斷處理過程中，取T0的計數值并進行累加，直到計滿160次后，用平均值濾波法求取被測頻率值以減小誤差，最后數據經過調整送LCD顯示。

表1：測量結果及誤差

經過整形處理后的被測頻率信號由單片機的P3.4 腳輸入計數，在定時器中斷處理程序中，對計數器溢出標志TF0進行判斷并進行分支程序處理，可在單個定時周期內實現最大131070個脈沖計數，當T1連續中斷160次后，進行平均值濾波求出被測頻率，這里采用移位算法求平均值來提高單片機運行效率，最后數據經過調整送LCD顯示。

計數并求出被測頻率的主要程序：

4 測量結果

實驗測試中采用32 M有源溫補晶振作為系統時鐘，在室溫條件下對信號發生器輸出幅值1V的正弦波信號進行測量，結果如表1。

從實驗結果可以看出，在低頻段1KHz測量時誤差高達60%，這實際上是因測量信號頻率和二倍采樣頻率接近，造成輸入信號脈沖無法正常識別造成的測量錯誤所致，應當舍棄，輸入大于 10Khz進入頻率正常測量范圍。高頻段根據系統時鐘可計算出理論輸入頻率最大值為16M，但因單片機端口的工作速率等限制，在15Mhz輸入信號時，已經出現4.25%的誤差，所以可靠頻率測量上限是14MHz。通過實測，在0.1Mhz-14Mhz范圍內相對誤差小于0.3‰，可見采用本設計方法能達到較高的精度要求。

5 結束語

圖4：STC8A8K16S4A12單片機最小系統原理圖

以STC8A8K16S4A12單片機為核心設計一款數字頻率計，軌至軌高速比較器的使用，降低了信號前端處理電路的設計難度，擴大了輸入信號幅度的范圍，可以測量正弦波信號輸入電壓RMS值的范圍為100mV至20V，頻率范圍為10Khz至14Mhz。測量范圍內的相對誤差小于0.5‰，實際系統相對簡單，成本低，實用。系統中低頻測量精度不高且測量下限偏高，在后續完善的時候可以考慮低頻段將計數器測頻轉變為測周期，利用頻率與周期互為倒數關系換算其頻率值，用于增加低頻信號的測量精度和測量范圍。

圖5：軟件流程設計