一種100 MHz數(shù)字頻率計的設(shè)計與實現(xiàn)

張玉葉，　郗艷華

(咸陽師范學(xué)院 物理與電子工程學(xué)院， 陜西 咸陽 712000)

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一種100 MHz數(shù)字頻率計的設(shè)計與實現(xiàn)

張玉葉，郗艷華

(咸陽師范學(xué)院 物理與電子工程學(xué)院， 陜西 咸陽 712000)

以STC12C5A60S2單片機為控制核心，設(shè)計并制作一臺閘門時間為1 s的數(shù)字頻率計，可實現(xiàn)信號的頻率、周期、占空比和時間間隔等參數(shù)的測量。系統(tǒng)能夠測量的正弦信號頻率范圍為1 Hz～130 MHz，被測信號電壓有效值范圍為10 mV～1 V，測量精度達0.01%。系統(tǒng)設(shè)計及測試中呈現(xiàn)出三大優(yōu)勢：第一，在信號前級整形時采用軌對軌高速比較器TLV3501，延遲時間為4.5 ns，小信號比較效果非常好，可將微弱的交流電壓轉(zhuǎn)換為TTL電平，頻率測量可以達到指標(biāo)要求；第二，信號源輸出信號經(jīng)過衰減器，可以達到測量小電壓的指標(biāo)要求；第三，在高頻干擾的濾除方面措施采取得當(dāng)，方便后續(xù)分頻等環(huán)節(jié)處理。系統(tǒng)能滿足實際測量要求，結(jié)構(gòu)緊湊，效果良好。

單片機； 比較器；頻率；時間間隔

頻率計是精確測量未知信號頻率的裝置，在電子技術(shù)領(lǐng)域，頻率與許多電參量的測量方案、測量結(jié)果有十分密切的關(guān)系，因此，頻率計在教學(xué)、科研、測量儀器和工業(yè)控制等方面都有廣泛應(yīng)用[1]。傳統(tǒng)的頻率計大多采用TTL數(shù)字電路設(shè)計而成，電路復(fù)雜，耗電多，成本高。隨后大規(guī)模專用IC的出現(xiàn)，如ICM7216、ICM7226頻率計專用芯片，使頻率計的開發(fā)變得簡單，但是價格較高[1]。現(xiàn)在單片機技術(shù)發(fā)展非常迅速，采用單片機來實現(xiàn)數(shù)字頻率計的開發(fā)設(shè)計，實現(xiàn)頻率的測量，不但測量精度高，而且誤差較小，經(jīng)過改裝，頻率計可以測量脈沖寬度和時間間隔。在此以STC12C5A60S2單片機為控制核心，設(shè)計一款數(shù)字頻率計。

1　系統(tǒng)設(shè)計方案論證

1.1頻率計設(shè)計基本方案(方案一)

在設(shè)計和制作過程中，首先要對由信號源提供的一定頻率的正弦信號進行過放大、整形(施密特觸發(fā)器、跟隨器)，將其轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)測量方波，再送到閘門以便計數(shù)。閘門時間由單片機控制，基本的思路如圖1所示。

圖1　頻率計常規(guī)設(shè)計思想框圖

在信號前級處理的放大整形階段做了很多嘗試，選擇多種高頻放大器件，如高頻低噪聲功率管9018、高頻N-FET 2SK241等[2]，但是，放大電路放大倍數(shù)不確定，還容易產(chǎn)生自激，導(dǎo)致頻率測量失效，且調(diào)試步驟復(fù)雜。而且，當(dāng)被測信號頻率值提高后，比較器會因為其他噪聲引起多次觸發(fā)。被測信號幅度越小，噪聲對其干擾越強。另外，當(dāng)被測信號的有效電壓為10 mV左右的微弱信號時，施密特觸發(fā)器電路就無法對信號進行比較了，頻率測量失效。頻率測量的實際值達不到100 MHz，調(diào)試過程復(fù)雜且調(diào)試效果不理想。

1.2頻率計設(shè)計改進方案(方案二)

綜合考慮方案一的各種局限和不足，對圖1所示的設(shè)計思想進行了改進，根據(jù)多次硬件電路的嘗試，最終確定的設(shè)計思想如圖2所示。

圖2　頻率計確定方案設(shè)計框圖

改進后的設(shè)計方案(方案二)采用延遲時間為4.5 ns的TLV3501軌對軌高速比較器。當(dāng)被測信號幅值為50 mV～1 V的正弦波信號時，只需要通過TLV3501就可以將正弦波整形為方波信號，效果良好，不需要再設(shè)計其他硬件電路，聯(lián)機調(diào)試也比較簡單。但是，若被測信號幅值過小，例如10 mV左右的正弦信號，信號源就無法直接輸出微弱的10 mV信號。因此，設(shè)計一個簡單的Π型衰減器，把由信號源輸出電壓有效值為1 V的信號衰減40 dB，即得到10 mV信號，送TLV3501作比較。TLV3501的優(yōu)點完全達到發(fā)揮，可以對小信號進行比較，輸出方波，可以對微弱信號進行測量。兩路信號可以通過開關(guān)來切換。

系統(tǒng)以單片機為控制核心，被測信號先由放大電路放大，再送到比較器中進行電路整形，把被測的正弦信號變成方波信號，利用單片機的定時器和計數(shù)器功能對被測信號進行計數(shù)。編寫相應(yīng)的程序可以使單片機自動調(diào)節(jié)測量的量程，并把測量結(jié)果送至LCD1602顯示電路顯示。

通過比較選擇，方案二可實現(xiàn)測頻量程的選擇以及頻率、占空比和時間間隔的測量，這些功能的切換通過單片機按鍵實現(xiàn)，由單片機的軟件編程自動進行；1 s閘門時間由單片機定時器產(chǎn)生，系統(tǒng)使用元器件較少，原理電路簡單，調(diào)試時只需要改變程序設(shè)定值即可實現(xiàn)大部分功能。而方案一電路硬件調(diào)試繁瑣，所用元器件較多，聯(lián)機復(fù)雜，所以最終確定選用方案二。

2　硬件部分設(shè)計

2.1比較整形模塊

考慮頻率計技術(shù)指標(biāo)的需要，被測量信號電壓有效值為10 mV左右的微弱信號，一般的比較器無法比較。比如選擇SN74AHCT14比較器，必需先對輸入信號放大再比較才可以得到脈沖信號，但是被測量信號的頻率如果提高，高頻放大器件卻容易自激，抗干擾能力也差，由此得到的放大后頻率本身不高，在使用比較器后得到的方波更是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達到所要求測量的頻率范圍。系統(tǒng)設(shè)計要求從低頻到高頻(1 Hz～100 MHz)均能將正弦波變成方波，故經(jīng)過嘗試采用TI高速軌對軌精密比較器TLV3501將正弦波轉(zhuǎn)換為方波。TLV3501是推挽輸出比較器，快速延遲時間4.5 ns，供電電壓+2.7～+5.5 V，由于超出擺幅輸入共模范圍，非常適合低電壓比較[3]。TLV3501(TLV3502)芯片參數(shù)表明其信號輸入端電壓為-0.3～+0.3 V，信號輸入電流為10 mA，所以本系統(tǒng)的比較器選擇TLV3501來實現(xiàn)，完全可以做到輸入電壓有效值為10 mV信號的比較整形，比較整形效果如圖3所示[4]。需要注意的是：“靜電釋放”會對該集成電路造成損失，精密集成電路可能會更容易受到損害，所以盡量不要用手觸摸。

圖3　TLV3501比較整形電路仿真

2.2分頻模塊

根據(jù)頻率測量的范圍，頻率計數(shù)的顯示采用了8位顯示設(shè)計。為了確保8位顯示的準(zhǔn)確，必須有一個28位的計數(shù)器來分頻，因為228=268 435 456，足以顯示數(shù)字99999999(8位顯示，范圍達到1 Hz～100 MHz)。為了盡量減少頻率計的組成元件數(shù)量，一個單片機內(nèi)部的兩個16位計數(shù)器，將其中的一個16位計數(shù)器(Timer0)用作頻率計的計數(shù)器的一部分。外部計數(shù)器選用TI公司的高速高頻SN74F161和74HC393，SN74F161是一個4位計數(shù)器，74HC393是8位計數(shù)器。這樣，Timer0的16位計數(shù)器及其外部的74HC393的8位計數(shù)器和SN74F161的4位計數(shù)器共同構(gòu)成了一個28位的計數(shù)器[5]，足以顯示數(shù)字99999999(100 MHz數(shù)字脈沖)。定時器Timer1用來產(chǎn)生1 s閘門時間。

2.3衰減器模塊

圖4　Π型衰減器

衰減器的主要作用是調(diào)整電路中信號的大小，若輸入信號電壓有效值為10 mV，信號源無法直接輸出，所以，由信號源輸出1 V正弦信號，經(jīng)過一個Π型衰減器[6](圖4)將其衰減40 dB，得到的衰減值為10 mV。經(jīng)過衰減器計算軟件的計算，衰減40 dB，則R1=R3=51 Ω，R2=2 496.8 Ω，實際選用電阻的時候保證R1=R3，阻值選擇最接近軟件計算結(jié)果即可。

2.4系統(tǒng)控制模塊

頻率計的控制系統(tǒng)選用宏晶科技有限公司生產(chǎn)的STC12C5A60S2單片機，該單片機是高速、低功耗、超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8～12倍。100 MHz頻率計控制系統(tǒng)原理如圖5所示，主要包括顯示部分、按鍵部分、分頻計算部分以及定時中斷等部分。在硬件上，被測信號經(jīng)過分頻器分頻后直接接入單片機的中斷口。在中斷程序中打開單片機的計數(shù)器進行計數(shù)，通過對分頻后信號的一個周期的測量，利用單片機自身的晶振和分頻數(shù)可以計算得到被測信號的頻率。

圖5　頻率計控制系統(tǒng)

2.5振蕩電路

STC12C5A60S2的XTAL1提供一個頻率為24 MHz的振蕩信號。同時該XTAL1亦為SN74F161提供24 MHz輸入時鐘信號，此時，通過軟件校正，使LCD顯示器上的數(shù)字為24000000。如果看見顯示為24000000，則說明軟件計算沒有發(fā)生誤差(1 s門控基準(zhǔn)時間，與測量基準(zhǔn)時鐘是相同的)。

3　軟件部分設(shè)計

3.1頻率測量原理[7]

測頻的核心思想是通過閘門信號與被測信號同步，若閘門時間為1 s，閘門的開通與關(guān)閉由單片機控制，被測脈沖信號通過閘門送到顯示電路。秒信號結(jié)束時，閘門關(guān)斷，計數(shù)器停止計數(shù)。由于計數(shù)器計得的脈沖數(shù)N是在1 s時間內(nèi)的累計數(shù)，所以被測頻率等于N(Hz)。在頻率較低的時候，不需要分頻，只需要讀到閘門時間內(nèi)的脈沖個數(shù)(即信號頻率)，當(dāng)頻率高到一定值的時候，閘門時間內(nèi)脈沖個數(shù)過多，不能識別，必需分頻后再通過單片機運算，得到被測信號的頻率。

3.2占空比測量原理

占空比可以通過測量正反兩個脈寬的計數(shù)值來獲得。設(shè)正脈寬的計數(shù)值為N1，負(fù)脈寬的計數(shù)值為N2，則周期計數(shù)值為N1+N2，占空比表示為

(1)

3.3時間間隔測量原理[8]

時間間隔測量采用脈沖計數(shù)原理，通過測量時間間隔內(nèi)高頻參考時鐘個數(shù)，得到被測時間間隔的精確值。如圖6所示，用標(biāo)準(zhǔn)信號形成被計數(shù)的參考時鐘信號，周期為T，頻率為f，通過測量時間間隔△t內(nèi)參考時鐘信號的個數(shù)n，直接顯示△t的值。軟件按公式(2)計算時間后送顯示電路：

(2)

3.4主流程圖

在各個性能指標(biāo)測量原理清晰的前提下，系統(tǒng)主流程圖如圖7所示。

圖6　時間間隔測量原理圖　　　　　　　　　　　圖7　主流程圖

4　測試結(jié)果與分析

4.1基本數(shù)據(jù)記錄

經(jīng)過軟件和硬件的調(diào)試，由信號源給定被測信號，頻率由小到大增加，可以測量被測信號的頻率，也可以測量被測信號(方波)的占空比和時間間隔。測試記錄如表1、表2和表3所示。

表1　正弦波信號頻率測量結(jié)果

注：輸入阻抗50 Ω。

表2　占空比測量結(jié)果

注：兩路信號輸入幅度100 mV，相差90度。

表3　時間間隔測量結(jié)果

注：兩路信號輸入幅度100 mV，相差90度。

由測試結(jié)果可知，系統(tǒng)的信號測量范圍為1 Hz～130 MHz，頻率測量誤差低于0.1%，周期、脈寬和占空比的測量誤差低于1%；高頻段頻率的測量準(zhǔn)確性很高，誤差幾乎為零，24 MHz基準(zhǔn)信號源準(zhǔn)確對系統(tǒng)自校，測量精度有所提高。在小信號條件測量時，通過多次測試，信號幅值最小測量值可至10 mV以下，可測量信號的頻率、周期、脈寬、占空比等參數(shù)的值，并大致描繪出所測信號波形，與實際情況基本吻合。

4.2調(diào)試過程注意事項

頻率計系統(tǒng)設(shè)計制作過程中，當(dāng)信號頻率提高時，要特別重視EMI(Electro Magnetic Interference，電磁干擾)，通過提高小信號抗干擾能力的多次試驗和修改調(diào)試，結(jié)合經(jīng)驗，要減小EMI必須注意以下事項[9]：

(1)合理布線，單元連接采用短線連接；

(2)盡量減少地線電阻，合理安排接地點；

(3)穩(wěn)壓電源供電，加入去耦濾波電容；

(4)各個單元模塊之間的連線擬采用高頻接線柱連接；

(5)如果高頻信號太強，可以在比較器電源供電處串聯(lián)一個阻值為10 Ω的貼片電阻，這個電阻可使高頻諧波含量減小。

以上措施都可以大大降低小信號測量時的干擾，提高系統(tǒng)測量精度。

5　結(jié)　語

以STC12C5A60S2單片機為控制核心，設(shè)計了一款數(shù)字頻率計。經(jīng)過分析論證，系統(tǒng)大體分3個部分：100 MHz數(shù)字計數(shù)器、100 MHz前置信號處理部分、預(yù)分頻器部分。實際制作的系統(tǒng)相對簡單，實用性強。設(shè)計的數(shù)字頻率計系統(tǒng)能完成信號頻率、周期、時間間隔、脈沖寬度及占空比參數(shù)的測量，精度基本達到要求，占空比測量時精度有缺陷。有功能選擇按鍵和量程選擇按鍵，LCD顯示器顯示十進制測量值。能夠精確測量的正弦波頻率范圍為1 Hz～130 MHz，可測量的電壓有效范圍為10 mV～1 V，測量精度高達0.01%。其可測占空比范圍為10%～90%，顯示分辨率為0.1%。該頻率計系統(tǒng)雖然在高頻比較器芯片的選擇、小信號比較器芯片的選擇、高頻干擾的濾除等方面考慮的方案較多，但仍然有需要改進的空間，例如，可以增加頻率的自適應(yīng)檢測部分以提高測量精度，還應(yīng)該考慮當(dāng)被測信號為不確定信號的時候，要增加峰值檢測器模塊等。系統(tǒng)中沒有用到信號的高頻放大部分，在后續(xù)完善的時候可以考慮增加信號的高頻放大。

[1]肖春芳,韓緒鵬.基于單片機控制的數(shù)字頻率計[J].電子設(shè)計工程,2012,20(1):140-141.

[2]楊煥崢.100 MHz數(shù)字頻率計的設(shè)計[J].北京教育學(xué)院學(xué)報:自然科學(xué)版,2007,2(4):9-11.

[3]華成英,童詩白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].4版.北京:高等教育出版社,2006:168-170.

[4]何希才.新型集成電路及其應(yīng)用實例[M].北京:科學(xué)出版社，2003:68.

[5]徐愛鈞.智能化測量控制儀表原理與設(shè)計[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2004:201-203.

[6]王會智,李拂曉.高性能超寬帶單片數(shù)字衰減器設(shè)計與實現(xiàn)[J].半導(dǎo)體學(xué)報,2006,27(6):1125-1127.

[7]胡文靜,張國云,劉翔,等.量程自整定高精度頻率測量的FPGA實現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2012,38(1):73-75.

[8]毛智德,呂善偉.基于FPGA的等精度頻率計設(shè)計[J].電子測量技術(shù),2006,29(4):85-86.

[責(zé)任編輯：魏 強]

Designing and manufacturing of a 100 MHz digital frequency meter

ZHANG Yu-ye,XI Yan-hua

(College of Physics and Electronics Engineering, Xianyang Normal College,Xianyang 712000, China)

This system designed and manufactured a digital frequency meter based on STC12C5A60S2 singlechip MCU whose gate time is 1 second. The measurement of the frequency, period, duty cycle, time-interval of a signal can achieved.In fact, the measured band width is from 1 Hz to 130 MHz. The measured voltage rms value is from 10 mV to 1 V. Tests show that the measurement accuracy is 0.01%. The design shows three striking advantages. Firstly, the adoption of TLV3501 chip at preliminary waveform shaping stage can achieve the delay time of 4.5 ns, which proves the desirable effects of the weak signaling. Weak alternating currents can be switched to TTL level and the frequency measurement meet the corresponding requirements. Secondly, output signal can meet the requirement of measuring small voltages through attenuator. Thridly, proper measures are taken to filter the the high frequency signals to facilitate the follow-up process such as frequency division. The system is compactly built and can meet the practical measuring needs and proves to be effective.

singlechip;comparator;frequency;time-interval

1673-2944(2016)04-0011-06

2016-04-05

2016-05-11

咸陽師范學(xué)院教育教學(xué)改革研究項目(2015Z006)；咸陽師范學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目(2015045)

張玉葉(1979—)，女，陜西省禮泉縣人，咸陽師范學(xué)院講師，碩士，主要研究方向為控制理論與控制工程；郗艷華(1974—)，女，陜西省蒲城縣人，咸陽師范學(xué)院副教授，碩士，主要研究方向為信號處理與電子技術(shù)。

TM935.13+3

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