基于轨至轨高速比较器的频率计设计与实现

文/朱伟

频率计是获取未知信号频率的精密测量装置，频率测量电路不断更新发展，先后出现了TTL数字集成电路，专用大型IC，如ICM7216频率计芯片，单片机数字频率测量，FPGA高速处理器频率测量等，前两种方案现在已经基本淘汰，FPGA高速处理器适合高频率高精度信号测量，但该方法实现成本高且编程复杂，在一些小型设备中并不实用。本文提出基于低成本高性能STC8A8K16S4A12 单片机的频率计的设计方法，高速比较器 TLV3501用于对前级输入信号进行整形，该器件延迟时间为4.5ns，输入失调电压小于6.5mV，小信号比较效果好，能将微弱的交流电压信号转换为 TTL电平，可以被单片机端口直接识别。

1 系统整体方案设计

系统总体框图如图1所示。采用TLV3501 轨对轨高速比较器对输入信号进行比较整形，当被测信号幅值为100 mV～2 V 的正弦波信号时，通过直通开关输入TLV3501进行比较，信号幅值大于2V时，直通开关断开，信号经过一个电阻Π型衰减器，衰减20dB后输入。如幅值2V的输入信号经过衰减得到200mV 信号，送比较器作比较，输出效果良好，通过衰减最大可以满足幅值为20V的输入信号测量，且不需要再设计其他硬件电路，调试也比较简单。

系统以STC8A8K16S4A12单片机为控制核心，被测信号变成方波信号后，利用单片机的定时/计数器功能对其进行计数。编写相应的程序可以使单片机完成计数、运算和测量参数显示等功能。系统使用直流5V供电，使用高精度温补晶振作时钟源，以及16位定时器重载工作方式来进一步提高测量精度。

图1：频率计方案设计框图

图2：TLV3501比较整形电路原理图

2 硬件部分设计

2.1 轨至轨高速比较整形电路

考虑被测信号频率和幅值的随机性，当输入信号幅值为毫伏量级的微弱信号时，单片机输入引脚不能直接识别，必须通用整形电路处理，通常由宽带放大器放大再经高速比较器比较才可以得到脉冲信号，但是引入放大器件在高频输入时容易自激，抗干扰能力也差，普通高速比较器也不能直接输出TTL信号，单片机读取错误率高，故尝试采用德州仪器公司的高速轨至轨比较器TLV3501 将正弦波转换为方波，该器件是推挽输出的比较器，其输出逻辑电平取决于比较器的电源电压，并且属于轨至轨I/O，能输出标准TTL信号，同时具有低延迟时间4.5 ns，输入失调电压小于6.5mV，非常适合低电压高速信号的比较。如图2所示。

图3：Π型衰减电路原理图

2.2 衰减器电路

衰减器的主要功能是衰减大幅度输入信号，与TLV3501的输入电压范围一致。这里采用一简单Π型衰减器（图3）将其衰减20dB。经过衰减器辅助设计工具软件计算，得R3=R5=61.11Ω，R4=247.5Ω，设计时选用E24系列电阻，取值R3=R5=62Ω，R4=240Ω，则实际衰减值为19.68dB。

2.3 单片机控制电路

频率计的控制核心选用宏晶科技有限公司生产的STC8A8K16S4A12单片机，该单片机是超高速8051内核，比传统8051快12倍以上，指令代码兼容传统8051，具有丰富的外设和片上资源，成本低，应用较为方便。频率计MCU最小系统原理如图4所示，MCU的时钟可以在内部IRC和外部时钟之间配置，最高工作频率为33Mhz，这里为了提高频率测量精度和测量上限，选用32Mhz温补有源晶振作为外部时钟源，精度+-1.5ppm，晶振输出振荡信号经第9引脚送入单片机。

3 软件部分设计

频率计的软件设计采用Keil C语言设计，整体采用功能模块化设计方法，程序有初始化模块、定时计数器功能模块、计算和显示等模块组成。系统软件流程如图5 所示。上电后，首先初始化MCU，然后将T0设置为计数器模式，并将T1设置为2ms自动重载定时器工作模式。在每次进入定时器中断处理过程中，取T0的计数值并进行累加，直到计满160次后，用平均值滤波法求取被测频率值以减小误差，最后数据经过调整送LCD显示。

表1：测量结果及误差

经过整形处理后的被测频率信号由单片机的P3.4 脚输入计数，在定时器中断处理程序中，对计数器溢出标志TF0进行判断并进行分支程序处理，可在单个定时周期内实现最大131070个脉冲计数，当T1连续中断160次后，进行平均值滤波求出被测频率，这里采用移位算法求平均值来提高单片机运行效率，最后数据经过调整送LCD显示。

计数并求出被测频率的主要程序：

4 测量结果

实验测试中采用32 M有源温补晶振作为系统时钟，在室温条件下对信号发生器输出幅值1V的正弦波信号进行测量，结果如表1。

从实验结果可以看出，在低频段1KHz测量时误差高达60%，这实际上是因测量信号频率和二倍采样频率接近，造成输入信号脉冲无法正常识别造成的测量错误所致，应当舍弃，输入大于 10Khz进入频率正常测量范围。高频段根据系统时钟可计算出理论输入频率最大值为16M，但因单片机端口的工作速率等限制，在15Mhz输入信号时，已经出现4.25%的误差，所以可靠频率测量上限是14MHz。通过实测，在0.1Mhz-14Mhz范围内相对误差小于0.3‰，可见采用本设计方法能达到较高的精度要求。

5 结束语

图4：STC8A8K16S4A12单片机最小系统原理图

以STC8A8K16S4A12单片机为核心设计一款数字频率计，轨至轨高速比较器的使用，降低了信号前端处理电路的设计难度，扩大了输入信号幅度的范围，可以测量正弦波信号输入电压RMS值的范围为100mV至20V，频率范围为10Khz至14Mhz。测量范围内的相对误差小于0.5‰，实际系统相对简单，成本低，实用。系统中低频测量精度不高且测量下限偏高，在后续完善的时候可以考虑低频段将计数器测频转变为测周期，利用频率与周期互为倒数关系换算其频率值，用于增加低频信号的测量精度和测量范围。

图5：软件流程设计