摘要 基于51單片機設計了一款測試范圍在1 Hz～10 MHz的頻率計。系統(tǒng)通過峰值有效電路和有效值電路將正弦渡、方波和三角波轉化為直流信號送入單片機，通過編寫相應的程序計算出其有效值和峰峰值的比，實現(xiàn)自動檢測的目的，并由顯示電路顯示測量結果。該系統(tǒng)電路簡潔、軟件編寫簡單、調試難度低。

目前在頻率測量領域中，對于高頻率信號高精度測量大都使用ARM、FPGA等高速處理器加專用計數(shù)芯片來完成。但這種方法程序編寫復雜，并且其處理器外圍電路復雜，這增加了其調試難度，降低了可操作性。

文中設計的高頻信號頻率計，除數(shù)據(jù)處理和顯示交由單片機負責外，測頻核心電路用經(jīng)檢測的模擬電路完成，該高頻頻率計電路簡潔，軟件編寫簡單，降低了調試難度的同時增強了其操作性。

1 系統(tǒng)總體設計方案

系統(tǒng)以STC80C51為核心，設計了一款測試范圍在1 Hz～10 MHz的頻率計。該系統(tǒng)主要設計思想是通過峰值有效電路和有效值電路將正弦波、方波、三角波轉化為直流信號，送入單片機，通過編寫相應的程序計算出其有效值和峰峰值比，實現(xiàn)自動檢測的目的，最后通過顯示電路顯示測量結果。

系統(tǒng)分為：緩沖器、峰值檢測電路、有效值檢測電路、分頻電路、模式轉換、最小系統(tǒng)和顯示電路?？傮w設計方案如圖1所示。

輸入信號i經(jīng)過緩沖器處理分為3路輸出，依次作為峰值檢測電路、有效值檢測電路和分頻器電路的輸入信號。經(jīng)峰值檢測電路和有效值電路處理后，輸出直流信號O1、O2，經(jīng)分頻器分頻后輸出方波信號O3。O1和O2經(jīng)過A/D模數(shù)轉換后輸入單片機，在單片機中進行處理比較峰值和有效值的關系從而達到自動確定信號類型的功能。O3經(jīng)計數(shù)器輸入單片機以計算出信號頻率。處理完成后通過顯示模塊LCD1602顯示出信號的頻率、峰峰值及波形。

1.1 系統(tǒng)電路

1.1.1 緩沖器

緩沖由4個電壓跟隨器構成，如圖2所示。電壓跟隨器如圖3所示，它的作用是使輸出電壓與輸入電壓值相等，即電壓跟隨器的電壓放大倍數(shù)恒小于且接近1。電壓跟隨器由運放構成。對于10 MHz及其以上頻率的信號需要考慮運放壓擺率對信號的影響。壓擺率反映了運算放大器輸出電壓的轉換速率，它是運算放大器在速度方面的指標。

壓擺率的數(shù)學定義

SR=2×Po×f×Vpk (1)

式中，f為最大頻率，一般認為是帶寬;Vpk是放大輸出信號的最大峰值。可見壓擺率越高運放輸出電壓的轉換速率快。對于10 MHz的信號來說，必須要選擇壓擺率高的運放。常用的Op07壓擺率為3.5，壓擺率過低，當信號頻率超過100 Hz信號即發(fā)生嚴重失真。故系統(tǒng)選用LM7171，一種高壓擺率運放，壓擺率為4 100 V/μs，足夠滿足10 MHZ的信號轉換速度。

如圖2所示，2、3、4號電壓跟隨器以1號電壓跟隨器的輸出信號為輸入信號。即由LM7171構成的高頻緩沖器，信號通過1號電壓跟隨器輸出信號與輸入信號的比為1：1，即1號電壓跟隨器的輸出信號等于輸入信號。同理O1、O2、O3與輸入信號i相等，保證了峰值檢測電路、有效值電路及分頻電路的輸入信號的可靠性。

1.1.2 峰值檢測電路與有效值檢測電路

通過峰值檢測和有效值檢測電路分別測出信號的有效值和峰峰值。經(jīng)過峰值檢測電路和有效值檢測電路處理信號變?yōu)橹绷餍盘?，從而解決了51單片機無法處理10 MHz高頻率信號的問題。

峰值檢測器(Peak Detector)要對信號的峰值進行采集并保持。峰值檢測器分成幾個模塊：(1)模擬峰值存儲器，即電容器。(2)單向電流開關，即二極管。(3)輸入輸出緩沖隔離，即運算放大器。(4)電容放電復位開關。

系統(tǒng)峰值檢測電路使用的運放是TI公司的Difet靜電計級運算放大器OPA128。采用OPA128中Datasheet提供的峰值檢測電路。

由圖4可知，輸入為理想二極管接法，輸出為電壓跟隨器。首先特別采用場效應管或晶體管代替二極管，減小方向漏電流，因為場效應管的方向漏電流都在pA級，而二極管方向漏電流是nA級。其次電容的選擇也尤為重要，低漏電流需首要考慮。最后輸出的運放最好選用偏置電流小的運放，F(xiàn)ET輸入型的是首選。

綜合分析該電路有如下特點：(1)采用FET運放提高直流特性，減小偏置電流OPA128的偏置電流低至75 fA。(2)將場效應管當二極管用，可以有效減小反向電流同時增加第一個運放的輸出驅動力。(3)小電容應該是防止自激的。

有效值檢測電路中選用AD637，它是一款完整的高精度、單芯片均方根直流轉換器，可計算任何復雜波形的真均方根值，電路如圖5所示。

輸入緩沖和輸出偏移接到內部的模擬公共端，一起接地;dB輸出端懸空;輸出緩沖懸空;CS通過一個外部的上拉電阻接Vs，降低系統(tǒng)在靜態(tài)時的工作電流;外部的輸入信號如果是交流信號，需要在輸入端串接一個無極性的耦合電容;電容Cav作用是調整輸出的直流信號紋波大小。經(jīng)測量發(fā)現(xiàn)，有效值為0.7～7 V，在此范圍內能保證測量誤差≤±0.2%+0.5 mV。

1.1.3 分頻電路

89C51單片機內部計數(shù)器，在使用12 MHz時鐘時，最大計數(shù)速率為500 kHz，因此需要外部分頻。分頻電路用于擴展單片機頻率測量范圍，并實現(xiàn)單片機頻率測量使用統(tǒng)一信號，可使單片機測頻更易于實現(xiàn)，而且也降低了系統(tǒng)的測頻誤差。

設計選用芯片74LS191，其為可預置的4位二進制加減法計數(shù)器，其功能表如表1所示，電路如圖6所示。74LS191由JK觸發(fā)器和門電路組成，按圖6所示鏈接后芯片相當于4個JK觸發(fā)器串聯(lián)，而每個觸發(fā)器在相應有效脈沖翻轉一次。所以當?shù)?6個脈沖到來時C將產(chǎn)生進位輸出。由于C輸出低有效，所以在C處接74LS04反相器得到正脈沖，經(jīng)16位分頻處理后10 MHz信號變?yōu)?2.500 Hz。

2 系統(tǒng)軟件設計

信號經(jīng)過緩沖器變?yōu)槿?，分別送入峰值檢測電路、有效值檢測電路和分頻電路。從峰值檢測電路和有效值檢測電路輸出的極為直流信號，通過數(shù)模轉換器送入51單片機的00口，則可得到信號的峰峰值。通過峰值與有效值的比即可自動檢測出信號的類型，三角波峰值是有效值的1.732倍;正弦波有效值是峰值的0.707倍;方波峰值是有效值的2倍。最后一路信號通過分頻后直接送入單片機的計數(shù)器即P3.2口。

所有檢測的結果通過1602液晶顯示器通過中斷顯示方法顯示出來。

3 結束語

以上電路經(jīng)實際測試檢驗，性能穩(wěn)定可靠，精度符合預期要求。隨著電子技術的進步，運算放大器的集成化和處理能力也在不斷地提高，可進一步提高其頻率帶寬和測量精度。