基于C8051F041的高精度頻率計(jì)設(shè)計(jì)

摘要：根據(jù)等精度測頻原理，給出了采用C8051F04l單片機(jī)為主控芯片的高精度數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)方法。該方法將待測頻率信號經(jīng)過整形放大后輸入單片機(jī)，然后由單片機(jī)控制內(nèi)部計(jì)數(shù)器分別對待測信號和標(biāo)準(zhǔn)信號同時(shí)計(jì)數(shù)，再經(jīng)運(yùn)算處理得到測量結(jié)果，并由LCD實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)通過RS232串口傳至上位機(jī)進(jìn)行記錄分析。該設(shè)計(jì)方法與傳統(tǒng)測頻系統(tǒng)相比，具有測頻精度高，速度快，范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：等精度；頻率計(jì)；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(xué)技術(shù)的發(fā)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(nèi)保持恒定的測量精度，且測量精度也較高。
C8051F單片機(jī)是SoC芯片，其內(nèi)核是CIP-5l微控制器。CIP-51采用流水線指令結(jié)構(gòu)，指令集與標(biāo)準(zhǔn)8051指令集完全兼容。且不再區(qū)分系統(tǒng)時(shí)鐘周期和機(jī)器周期，所有指令時(shí)序都以時(shí)鐘周期計(jì)算，大部分指令只需l～2個系統(tǒng)時(shí)鐘即可完成。因而其運(yùn)算速度明顯高于傳統(tǒng)805l單片機(jī)。為此，本文給出了基于C805lF單片機(jī)和一些外圍電路的等精度頻率計(jì)的設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)信號分別輸入到兩個計(jì)數(shù)器，它的實(shí)際閘門時(shí)間不是固定值，而是待測信號周期的整數(shù)倍，故可消除對待測信號計(jì)數(shù)時(shí)產(chǎn)生的量化誤差(+1誤差)，其精度僅與閘門時(shí)間和標(biāo)準(zhǔn)頻率有關(guān)。等精度測頻系統(tǒng)主要由待測信號計(jì)數(shù)器、標(biāo)準(zhǔn)信號計(jì)數(shù)器、同步閘門控制器、預(yù)置時(shí)間控制器以及運(yùn)算單元等組成。測量的基本流程是在發(fā)出測量觸發(fā)信號后，由同步閘門控制器在預(yù)置時(shí)間控制器產(chǎn)生預(yù)選閘門控制信號，再由待測信號觸發(fā)同步，以形成真正的預(yù)置測量時(shí)間，然后同時(shí)控制兩個計(jì)數(shù)器，并分別對待測信號和標(biāo)準(zhǔn)信號進(jìn)行計(jì)數(shù)。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(jì)算：

式中：Nx為待測信號計(jì)數(shù)值，No為參考信號計(jì)數(shù)值，fx為待測信號頻率值，fo為參考信號頻率值。

2 頻率計(jì)硬件電路設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)將待測信號、標(biāo)準(zhǔn)信號的計(jì)數(shù)及產(chǎn)生預(yù)置時(shí)間、計(jì)算頻率值等功能完全用C805lF041單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)，因而簡化了測量電路。整個頻率測量系統(tǒng)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(tǒng)選用高精度的標(biāo)準(zhǔn)10MHz石英晶振作為標(biāo)準(zhǔn)信號源，以保證測頻精度。圖2所示是系統(tǒng)的總體硬件設(shè)計(jì)框圖。