頻率信號(hào)具有抗干擾性強(qiáng)，易于傳輸,，易于保持信息完整性和可以獲得較高測(cè)量精度等優(yōu)點(diǎn),，被廣泛應(yīng)用于日常生活、工業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域,，頻率測(cè)量成為信息提取,、設(shè)備檢測(cè)等過程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。頻率檢測(cè)作為電子測(cè)量領(lǐng)域最基本的測(cè)量之一,，隨著數(shù)字電子技術(shù)的發(fā)展而得到了長(zhǎng)足的進(jìn)步,，數(shù)字頻率測(cè)量也得到了越來越廣泛的應(yīng)用,，從而使測(cè)頻原理和測(cè)頻方法的研究受到越來越多的關(guān)注。本文在簡(jiǎn)述頻率測(cè)量原理和方法的基礎(chǔ)上,，主要介紹一種基于PXI總線的寬帶,、高精度數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。
1 測(cè)頻原理
目前對(duì)頻率的測(cè)量采用的方法主要有：圍繞電子計(jì)數(shù)器計(jì)一定時(shí)間內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)來確定頻率,；對(duì)信號(hào)時(shí)頻變換的算法進(jìn)行研究,。本文主要討論前者。
1．1 直接測(cè)頻法
電子計(jì)數(shù)器是一種利用比較法進(jìn)行測(cè)量的最常見,、最基本的數(shù)字化儀器,，是其他數(shù)字化儀器的基礎(chǔ)。頻率在時(shí)間軸上是無限延伸的,，因此對(duì)頻率測(cè)量需要確定一個(gè)取樣時(shí)間T,，在該時(shí)間內(nèi)對(duì)被測(cè)信號(hào)的周期進(jìn)行累加計(jì)數(shù)(若計(jì)數(shù)值為N)，根據(jù)fx=N／T得到頻率值,。此種方法由于閘門時(shí)間與被測(cè)信號(hào)不同步,，計(jì)數(shù)時(shí)存在±1的計(jì)數(shù)誤差，影響測(cè)頻精度,。
1．2 等精度測(cè)量法
可見直接測(cè)頻法雖然設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,，但是精度不高，為消除“±1計(jì)數(shù)誤差”,，對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)如圖1所示,。
被測(cè)信號(hào)經(jīng)過濾波、放大,、分頻,、整形預(yù)處理之后，將處理后的方波信號(hào)和閘門時(shí)間預(yù)置方波信號(hào)進(jìn)行同步控制,。同步控制一般由D觸發(fā)器和三態(tài)門來實(shí)現(xiàn),。在測(cè)頻率和周期時(shí)，單片機(jī)控制中心發(fā)出清零信號(hào)使三態(tài)傳輸門處于高阻狀態(tài),，同時(shí)給出啟動(dòng)閘門信號(hào),，當(dāng)被測(cè)信號(hào)整形后的方波信號(hào)上升沿到來時(shí),，同步控制發(fā)出信號(hào),，使閘門A和閘門B同時(shí)開始對(duì)被測(cè)信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。當(dāng)單片機(jī)發(fā)出結(jié)束閘門信號(hào)后,，fx的方波信號(hào)上升沿的到來,，將使計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，并申請(qǐng)中斷服務(wù),。這樣便實(shí)現(xiàn)了閘門的啟閉與fx同步,，再將中斷服務(wù)送來的數(shù)據(jù)送入運(yùn)算中心進(jìn)行處理,，最后將結(jié)果送入顯示系統(tǒng)，顯示測(cè)量結(jié)果,。時(shí)序圖如圖2所示,。
經(jīng)分析，誤差主要來自標(biāo)頻信號(hào)與閘門B不同步產(chǎn)生的“±1”誤差,，為進(jìn)一步提高測(cè)頻精度,，提出了基于相位重合的全同步測(cè)頻方法。
1．3 全同步測(cè)頻法
設(shè)開啟閘門時(shí)脈沖同步時(shí)間差為△t1,，關(guān)閉閘門時(shí)脈沖同步時(shí)間差為△t2,，脈沖的相位同步檢測(cè)最大誤差為△t，則有△t1≤△t,，△t2≤△t,。不計(jì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘誤差，實(shí)際閘門與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘同步,，實(shí)際閘門時(shí)間為T,，被測(cè)信號(hào)計(jì)數(shù)值為Nx，標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘計(jì)數(shù)值為No,，則被測(cè)信號(hào)的頻率測(cè)量值為：
真實(shí)值為：
頻率測(cè)量的相對(duì)誤差為：
由式(3)可知,，誤差只與脈沖相位檢測(cè)電路的準(zhǔn)確度有關(guān)。
2 硬件電路設(shè)計(jì)
2．1 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)
被測(cè)信號(hào)為1 Hz～6 GHz,，頻帶范圍較寬,，而CPLD／FPGA中計(jì)數(shù)器工作頻率不超過200MHz，因此需要對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理,。該頻率計(jì)模塊包含 3個(gè)測(cè)試通道,，分別為0，1,，2通道,。其中,，O通道所測(cè)頻率范圍為1～6 GHz；1通道所測(cè)頻率范圍為50 MHz～1 GHz,；2通道所測(cè)頻率范圍為1 Hz～50 MHz,。對(duì)于0，1通道的信號(hào),，由于頻率較高,，因而先由高頻信號(hào)接收器進(jìn)行接收整形，然后經(jīng)前端分頻器分頻后送到FPGA／CP-LD進(jìn)行計(jì)數(shù),；對(duì)于2通道所測(cè)的信號(hào)被放大整形后直接送到FPGA／CPLD計(jì)數(shù),。
2．2 器件選擇
由于該頻率計(jì)模塊分3個(gè)測(cè)試通道，對(duì)應(yīng)不同的測(cè)試通道,，選用了相對(duì)應(yīng)的器件,。在O通道，選用Zarlink公司的ZL40800和SP8782,，實(shí)現(xiàn)8×32分頻,；在1通道，選用SP8782實(shí)現(xiàn)32分頻,；在2通道選用施密特觸發(fā)器對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大整形,。高穩(wěn)定度晶振選用TC75溫度補(bǔ)償晶振，其穩(wěn)定度為±10-8,；FPGA選用Altera公司的EPM7032SLC44-5,，其速度等級(jí)為5 ns，既滿足了該電路的要求,，又兼顧了電磁兼容,；高頻信號(hào)接收器采用NB6L16差分接收器，其接收的最高信號(hào)頻率可達(dá) 6 GHz,。
2．3 PXI總線接口電路設(shè)計(jì)
專用PCI接口芯片加CPLD／FPGA的接口方案,，采用專用接口芯片PCI9030雖沒有像直接采用CPLD／FPGA那么靈活，但它可以大大縮短開發(fā)周期,，并且專用總線接口芯片具有通用性,，提供配置寄存器，具備用于突發(fā)傳輸功能的片內(nèi)FIFO等優(yōu)點(diǎn),，避免了自行設(shè)計(jì)PXI總線將大量的人力和物力投入到紛繁的邏輯驗(yàn)證,、時(shí)序分析工作上，開發(fā)周期長(zhǎng)的弊端,。
2．4 基于FPGA的相位重合檢測(cè)電路設(shè)計(jì)
相位重合檢測(cè)電路基本原理：利用FPGA內(nèi)部的延時(shí)特性,，信號(hào)經(jīng)過方向延時(shí)后和原信號(hào)相與,，即可獲得與延時(shí)時(shí)間長(zhǎng)度相同的輸出,，且輸出間隔為各自的周期,，當(dāng)兩路信號(hào)在第一次與門之后重合時(shí)，y輸出高電平,，此時(shí)判斷兩信號(hào)相位重合,。EPM7032SLCA4-5的延時(shí)時(shí)間為5 ns。電路圖如圖4所示,，時(shí)序圖如圖5所示,。
3 基于PXI總線的寬帶頻率計(jì)設(shè)計(jì)
3．1 PXI總線介紹
PXI總線是在PCI總線內(nèi)核技術(shù)上增加了成熟的技術(shù)規(guī)范和要求形成的。它通過增加用于多板同步的觸發(fā)總線和參考時(shí)鐘(10 MHz),，用于進(jìn)行精確定時(shí)的星型觸發(fā)縱向,，以及用于相鄰模塊間高速通信的局部總線來滿足用戶試驗(yàn)和測(cè)量的要求。PXI將Windows 95和Windows NT定義為其標(biāo)準(zhǔn)軟件框架,，并要求所有的儀器模塊都帶有按VISA規(guī)范編寫的WIN32設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序,，使PXI成為一種系統(tǒng)級(jí)的規(guī)范，確保系統(tǒng)易于集成和使用,。
3．2 頻率計(jì)系統(tǒng)組成
被被測(cè)信號(hào)經(jīng)過調(diào)理電路預(yù)處理后與標(biāo)準(zhǔn)頻率一起輸出到相位檢測(cè)電路后,，由總線控制打開預(yù)制閘門，當(dāng)檢測(cè)到相位重合時(shí),，實(shí)際閘門開啟并計(jì)數(shù),，當(dāng)預(yù)制閘門下降沿到來時(shí)并不立即停止計(jì)數(shù)，而是等到下一次的脈沖重合點(diǎn)到來時(shí)關(guān)閉閘門并停止計(jì)數(shù),，系統(tǒng)由PXI總線進(jìn)行控制,。原理圖如圖6所示。
4 結(jié)語
介紹了一種基于PXI總線的高精度寬帶頻率計(jì),，采用預(yù)分頻和相位同步測(cè)頻相結(jié)合的技術(shù),，實(shí)現(xiàn)了寬帶范圍內(nèi)的高精度測(cè)頻要求，同時(shí),，通過FPGA將關(guān)鍵電路部分以邏輯編程的方式集成在芯片中,，易于修改，使用方便,。整個(gè)系統(tǒng)由PXI總線進(jìn)行通信和控制,，該頻率計(jì)在電子測(cè)量領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。