基于軌至軌高速比較器的頻率計(jì)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

文/朱偉

頻率計(jì)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(fā)展，先后出現(xiàn)了TTL數(shù)字集成電路，專用大型IC，如ICM7216頻率計(jì)芯片，單片機(jī)數(shù)字頻率測量，F(xiàn)PGA高速處理器頻率測量等，前兩種方案現(xiàn)在已經(jīng)基本淘汰，F(xiàn)PGA高速處理器適合高頻率高精度信號測量，但該方法實(shí)現(xiàn)成本高且編程復(fù)雜，在一些小型設(shè)備中并不實(shí)用。本文提出基于低成本高性能STC8A8K16S4A12 單片機(jī)的頻率計(jì)的設(shè)計(jì)方法，高速比較器 TLV3501用于對前級輸入信號進(jìn)行整形，該器件延遲時(shí)間為4.5ns，輸入失調(diào)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(zhuǎn)換為 TTL電平，可以被單片機(jī)端口直接識別。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)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(jìn)行比較整形，當(dāng)被測信號幅值為100 mV～2 V 的正弦波信號時(shí)，通過直通開關(guān)輸入TLV3501進(jìn)行比較，信號幅值大于2V時(shí)，直通開關(guān)斷開，信號經(jīng)過一個(gè)電阻Π型衰減器，衰減20dB后輸入。如幅值2V的輸入信號經(jīng)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(shè)計(jì)其他硬件電路，調(diào)試也比較簡單。

系統(tǒng)以STC8A8K16S4A12單片機(jī)為控制核心，被測信號變成方波信號后，利用單片機(jī)的定時(shí)/計(jì)數(shù)器功能對其進(jìn)行計(jì)數(shù)。編寫相應(yīng)的程序可以使單片機(jī)完成計(jì)數(shù)、運(yùn)算和測量參數(shù)顯示等功能。系統(tǒng)使用直流5V供電，使用高精度溫補(bǔ)晶振作時(shí)鐘源，以及16位定時(shí)器重載工作方式來進(jìn)一步提高測量精度。

圖1：頻率計(jì)方案設(shè)計(jì)框圖

圖2：TLV3501比較整形電路原理圖

2 硬件部分設(shè)計(jì)

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(jī)性，當(dāng)輸入信號幅值為毫伏量級的微弱信號時(shí)，單片機(jī)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(jīng)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(shí)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(jī)讀取錯(cuò)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(zhuǎn)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(biāo)準(zhǔn)TTL信號，同時(shí)具有低延遲時(shí)間4.5 ns，輸入失調(diào)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(jīng)過衰減器輔助設(shè)計(jì)工具軟件計(jì)算，得R3=R5=61.11Ω，R4=247.5Ω，設(shè)計(jì)時(shí)選用E24系列電阻，取值R3=R5=62Ω，R4=240Ω，則實(shí)際衰減值為19.68dB。

2.3 單片機(jī)控制電路

頻率計(jì)的控制核心選用宏晶科技有限公司生產(chǎn)的STC8A8K16S4A12單片機(jī)，該單片機(jī)是超高速8051內(nèi)核，比傳統(tǒng)8051快12倍以上，指令代碼兼容傳統(tǒng)8051，具有豐富的外設(shè)和片上資源，成本低，應(yīng)用較為方便。頻率計(jì)MCU最小系統(tǒng)原理如圖4所示，MCU的時(shí)鐘可以在內(nèi)部IRC和外部時(shí)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(bǔ)有源晶振作為外部時(shí)鐘源，精度+-1.5ppm，晶振輸出振蕩信號經(jīng)第9引腳送入單片機(jī)。

3 軟件部分設(shè)計(jì)

頻率計(jì)的軟件設(shè)計(jì)采用Keil C語言設(shè)計(jì)，整體采用功能模塊化設(shè)計(jì)方法，程序有初始化模塊、定時(shí)計(jì)數(shù)器功能模塊、計(jì)算和顯示等模塊組成。系統(tǒng)軟件流程如圖5 所示。上電后，首先初始化MCU，然后將T0設(shè)置為計(jì)數(shù)器模式，并將T1設(shè)置為2ms自動(dòng)重載定時(shí)器工作模式。在每次進(jìn)入定時(shí)器中斷處理過程中，取T0的計(jì)數(shù)值并進(jìn)行累加，直到計(jì)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(shù)據(jù)經(jīng)過調(diào)整送LCD顯示。

表1：測量結(jié)果及誤差

經(jīng)過整形處理后的被測頻率信號由單片機(jī)的P3.4 腳輸入計(jì)數(shù)，在定時(shí)器中斷處理程序中，對計(jì)數(shù)器溢出標(biāo)志TF0進(jìn)行判斷并進(jìn)行分支程序處理，可在單個(gè)定時(shí)周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)最大131070個(gè)脈沖計(jì)數(shù)，當(dāng)T1連續(xù)中斷160次后，進(jìn)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(jī)運(yùn)行效率，最后數(shù)據(jù)經(jīng)過調(diào)整送LCD顯示。

計(jì)數(shù)并求出被測頻率的主要程序：

4 測量結(jié)果

實(shí)驗(yàn)測試中采用32 M有源溫補(bǔ)晶振作為系統(tǒng)時(shí)鐘，在室溫條件下對信號發(fā)生器輸出幅值1V的正弦波信號進(jìn)行測量，結(jié)果如表1。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，在低頻段1KHz測量時(shí)誤差高達(dá)60%，這實(shí)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(cuò)誤所致，應(yīng)當(dāng)舍棄，輸入大于 10Khz進(jìn)入頻率正常測量范圍。高頻段根據(jù)系統(tǒng)時(shí)鐘可計(jì)算出理論輸入頻率最大值為16M，但因單片機(jī)端口的工作速率等限制，在15Mhz輸入信號時(shí)，已經(jīng)出現(xiàn)4.25%的誤差，所以可靠頻率測量上限是14MHz。通過實(shí)測，在0.1Mhz-14Mhz范圍內(nèi)相對誤差小于0.3‰，可見采用本設(shè)計(jì)方法能達(dá)到較高的精度要求。

5 結(jié)束語

圖4：STC8A8K16S4A12單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖

以STC8A8K16S4A12單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)一款數(shù)字頻率計(jì)，軌至軌高速比較器的使用，降低了信號前端處理電路的設(shè)計(jì)難度，擴(kuò)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(nèi)的相對誤差小于0.5‰，實(shí)際系統(tǒng)相對簡單，成本低，實(shí)用。系統(tǒng)中低頻測量精度不高且測量下限偏高，在后續(xù)完善的時(shí)候可以考慮低頻段將計(jì)數(shù)器測頻轉(zhuǎn)變?yōu)闇y周期，利用頻率與周期互為倒數(shù)關(guān)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(shè)計(jì)