C8051F041的高精度頻率計設計

0? 概述

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-51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1～2個系統時鐘即可完成。因而其運算速度明顯高于傳統8051單片機。為此，本文給出了基于C8051F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：N_x為待測信號計數值，N₀為參考信號計數值，f_x為待測信號頻率值，f₀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C8051F04l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。



2.1? C8051F041單片機

本系統中的C8051F041單片機是一款全集成的混合信號片上系統型MCU，具有32個數字I／O引腳和高精度可編程的24.5 MHz內部振蕩器，以及64 KB在片FLASH存儲器，同時片內還集成了一個CAN2.0B控制器、5個通用16位定時器、真正12位100 ksps的ADC、兩個12位DAC以及硬件實現的SPI、SMBus／I2C和兩個UART串行接口。

2.2 硬件電路

系統硬件主要由放大整形電路、鍵盤電路、LCD顯示電路、RS232串口等部分組成。放大整形電路主要對待測信號(如正弦波、三角波、鋸齒波、方波等)進行幅值放大，施密特整形為TTL電平的矩形波，同時去除噪聲干擾。鍵盤電路采用獨立鍵盤，可控制測頻的啟停和數據是否上傳等。液晶顯示電路采用16×2字符的LCD1602液晶顯示，可配置成8位接口方式，以對測量頻率進行同步顯示。測量數據可通過RS232串口上傳至上位機，并在上位機軟件中保存。這種方式特別適用于長時間多次測量頻率值的場合。

3 軟件設計及調試

本系統的軟件部分包括C8051F041單片機的主控程序和上位機軟件。

3.1 C8051F041主控程序

主控程序可用C語言編寫，采用定時器T2作為預置門控制器時間，定時器T1用于串口通信，計數器C3作為待測信號計數器，計數器C4作為基準頻率計數器。在主控程序中，可將標準信號計數值N0定義為unsigned long int型變量，其計數范圍為0～(2₃₂-1)，即0～4.294967295×10⁹。圖3所示是其主程序流程圖。



3.2 上位機VB軟件

為了提高測量頻率值的可分析性，本系統利用VB6.0提供的、用于RS232串行通信的MSCOMM．OCX控件來編寫上位機串口數據的采集和測頻值的保存軟件。軟件可實時讀取單片機測得的頻率值，并在PC機顯示。同時該軟件還可將測量數據與系統時間共同保存，以便于多次測量時對數據的記錄和分析計算。

4 結束語

本頻率計在0～10 MHz的頻率范圍內具有相同的測量精度。考慮到測頻的精度和穩定性，標準信號源應選用精度為10^-8的10 MHz標準石英晶振，以提高測頻精度，同時也可縮短測頻時間。此外，利用C8051F單片機的性能優勢，將等精度測頻系統的主要部分用C8051F041實現。也簡化了電路結構，縮短了測頻時間，提高了系統設計的可靠性，具有較高的實用價值。