基于C8051F041的高精度频率计设计

摘要：根据等精度测频原理，给出了采用C8051F04l单片机为主控芯片的高精度数字频率计的设计方法。该方法将待测频率信号经过整形放大后输入单片机，然后由单片机控制内部计数器分别对待测信号和标准信号同时计数，再经运算处理得到测量结果，并由LCD实时显示，同时通过RS232串口传至上位机进行记录分析。该设计方法与传统测频系统相比，具有测频精度高，速度快，范围宽等优点。
关键词：等精度；频率计；C8051F041；LCD；RS232

O 引言
频率测量是电子测量中最基本的测量之一。随着电子科学技术的发展，对信号频率测量的精度要求越来越高。目前采用的测频方法有直接测频法、直接测周法和等精度测频法。直接测频法在高频段的精度较高，但在低频段的精度较低；直接测周法则恰恰相反。而等精度测量法则可在整个频率测量范围内保持恒定的测量精度，且测量精度也较高。
C8051F单片机是SoC芯片，其内核是CIP-5l微控制器。CIP-51采用流水线指令结构，指令集与标准8051指令集完全兼容。且不再区分系统时钟周期和机器周期，所有指令时序都以时钟周期计算，大部分指令只需l～2个系统时钟即可完成。因而其运算速度明显高于传统805l单片机。为此，本文给出了基于C805lF单片机和一些外围电路的等精度频率计的设计方案。

1 等精度频率测量的基本原理
等精度频率测量又叫多周期同步测量，它是将待测信号和标准信号分别输入到两个计数器，它的实际闸门时间不是固定值，而是待测信号周期的整数倍，故可消除对待测信号计数时产生的量化误差(+1误差)，其精度仅与闸门时间和标准频率有关。等精度测频系统主要由待测信号计数器、标准信号计数器、同步闸门控制器、预置时间控制器以及运算单元等组成。测量的基本流程是在发出测量触发信号后，由同步闸门控制器在预置时间控制器产生预选闸门控制信号，再由待测信号触发同步，以形成真正的预置测量时间，然后同时控制两个计数器，并分别对待测信号和标准信号进行计数。等精度测量频率的原理如图1所示。其待测信号频率可由下式计算：

式中：Nx为待测信号计数值，No为参考信号计数值，fx为待测信号频率值，fo为参考信号频率值。

2 频率计硬件电路设计
本设计将待测信号、标准信号的计数及产生预置时间、计算频率值等功能完全用C805lF041单片机来实现，因而简化了测量电路。整个频率测量系统包括放大整形、LCD液晶显示、键盘控制和串口RS232通信电路等。系统选用高精度的标准10MHz石英晶振作为标准信号源，以保证测频精度。图2所示是系统的总体硬件设计框图。