基于C8051F041的高精度頻率計設計

摘要：根據等精度測頻原理，給出了采用C8051F04l單片機為主控芯片的高精度數字頻率計的設計方法。該方法將待測頻率信號經過整形放大后輸入單片機，然后由單片機控制內部計數器分別對待測信號和標準信號同時計數，再經運算處理得到測量結果，并由LCD實時顯示，同時通過RS232串口傳至上位機進行記錄分析。該設計方法與傳統測頻系統相比，具有測頻精度高，速度快，范圍寬等優點。
關鍵詞：等精度；頻率計；C8051F041；LCD；RS232

O 引言
頻率測量是電子測量中最基本的測量之一。隨著電子科學技術的發展，對信號頻率測量的精度要求越來越高。目前采用的測頻方法有直接測頻法、直接測周法和等精度測頻法。直接測頻法在高頻段的精度較高，但在低頻段的精度較低；直接測周法則恰恰相反。而等精度測量法則可在整個頻率測量范圍內保持恒定的測量精度，且測量精度也較高。
C8051F單片機是SoC芯片，其內核是CIP-5l微控制器。CIP-51采用流水線指令結構，指令集與標準8051指令集完全兼容。且不再區分系統時鐘周期和機器周期，所有指令時序都以時鐘周期計算，大部分指令只需l～2個系統時鐘即可完成。因而其運算速度明顯高于傳統805l單片機。為此，本文給出了基于C805lF單片機和一些外圍電路的等精度頻率計的設計方案。

1 等精度頻率測量的基本原理
等精度頻率測量又叫多周期同步測量，它是將待測信號和標準信號分別輸入到兩個計數器，它的實際閘門時間不是固定值，而是待測信號周期的整數倍，故可消除對待測信號計數時產生的量化誤差(+1誤差)，其精度僅與閘門時間和標準頻率有關。等精度測頻系統主要由待測信號計數器、標準信號計數器、同步閘門控制器、預置時間控制器以及運算單元等組成。測量的基本流程是在發出測量觸發信號后，由同步閘門控制器在預置時間控制器產生預選閘門控制信號，再由待測信號觸發同步，以形成真正的預置測量時間，然后同時控制兩個計數器，并分別對待測信號和標準信號進行計數。等精度測量頻率的原理如圖1所示。其待測信號頻率可由下式計算：

式中：Nx為待測信號計數值，No為參考信號計數值，fx為待測信號頻率值，fo為參考信號頻率值。

2 頻率計硬件電路設計
本設計將待測信號、標準信號的計數及產生預置時間、計算頻率值等功能完全用C805lF041單片機來實現，因而簡化了測量電路。整個頻率測量系統包括放大整形、LCD液晶顯示、鍵盤控制和串口RS232通信電路等。系統選用高精度的標準10MHz石英晶振作為標準信號源，以保證測頻精度。圖2所示是系統的總體硬件設計框圖。