在電子工程,、資源勘探,、儀器儀表等相關(guān)應(yīng)用中，頻率測量是電子測量技術(shù)中最基本最常見的測量之一,，頻率計(jì)也是工程技術(shù)人員必不可少的測量工具,。但是，傳統(tǒng)的頻率測量方法在實(shí)際應(yīng)用中有較大的局限性,，基于傳統(tǒng)測頻原理的頻率計(jì)的測量精度將隨被測信號(hào)頻率的變化而變化,，傳統(tǒng)的直接測頻法其測量精度將隨被測信號(hào)頻率的降低而降低，測周法的測量精度將隨被測信號(hào)頻率的升高而降低,。本文中提出一種基于ARM與CPLD寬頻帶的數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì),，以微控器STM32作為核心控制芯片，利用CPLD可編程邏輯器件,，實(shí)現(xiàn)閘門測量技術(shù)的等精度測頻,。
本設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)：
測頻范圍：1Hz～200MHz，分辨率為0.1Hz,，測頻相對誤差百萬分之一,。
周期測量：信號(hào)測量范圍與精度要求與測頻功能相同。
占空比測量：準(zhǔn)確度99%,。
計(jì)數(shù)范圍：0～1000000000,，可手動(dòng)暫停、復(fù)位,。
功耗大?。?V×250mA= 1.25W。
等精度測頻原理
常用的直接測頻方法主要有測頻法和測周期法兩種,。測頻法就是在確定的閘門時(shí)間Tw內(nèi),，記錄被測信號(hào)的變化周期數(shù)（或脈沖個(gè)數(shù)）Nx，則被測信號(hào)的頻率為：fx=Nx/Tw,。測周期法需要有標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的頻率fs,，在待測信號(hào)的一個(gè)周期Tx內(nèi)，記錄標(biāo)準(zhǔn)頻率的周期數(shù)Ns,，則被測信號(hào)的頻率為：fx=fs/Ns,。這兩種方法的計(jì)數(shù)值會(huì)產(chǎn)生±1個(gè)字誤差，并且測試精度與計(jì)數(shù)器中記錄的數(shù)值Nx或Ns有關(guān),。為了保證測試精度,，一般對于低頻信號(hào)采用測周期法，對于高頻信號(hào)采用測頻法,。但由于測試時(shí)很不方便,，又提出了等精度測頻方法。等精度測頻方法是在直接測頻方法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,，它的閘門時(shí)間不是固定值,，而是被測信號(hào)周期的整數(shù)倍,，即與被測信號(hào)同步。等精度測頻系統(tǒng)的控制時(shí)序圖如圖1所示,。
圖1 等精度測頻系統(tǒng)的控制時(shí)序圖
在測量過程中,，有兩個(gè)計(jì)數(shù)器分別對標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)和被測信號(hào)同時(shí)計(jì)數(shù)。首先給出閘門開啟信號(hào)（預(yù)置閘門上升沿）,，此時(shí)計(jì)數(shù)器并不開始計(jì)數(shù),，而是等到被測信號(hào)的上升沿到來時(shí)，計(jì)數(shù)器才真正開始計(jì)數(shù),。然后,，預(yù)置閘門關(guān)閉信號(hào)（下降沿）到來時(shí)，計(jì)數(shù)器并不立即停止計(jì)數(shù),，而是等到被測號(hào)的上升沿到來時(shí)才結(jié)束計(jì)數(shù)，完成一次測量過程,?？梢钥闯觯瑢?shí)際閘門時(shí)間r與預(yù)置閘門時(shí)間r1并不嚴(yán)格相等,，但差值不超過被測信號(hào)的一個(gè)周期,。設(shè)在一次實(shí)際閘門時(shí)間r中，計(jì)數(shù)器對被測信號(hào)的計(jì)數(shù)值為Nx,，對標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的計(jì)數(shù)值為Ns,，標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的頻率為fs，則被測信號(hào)的頻率如式（1）所示,。
被測信號(hào)的頻率
圖2為等精度測頻邏輯框圖,，CNT1和CNT2是兩個(gè)可控計(jì)數(shù)器，標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)fs信號(hào)從CNT1的時(shí)鐘輸入端CLK輸入,，經(jīng)整形后的被測信號(hào)fx從CNT2的時(shí)鐘輸入端CLK輸入,。每個(gè)計(jì)數(shù)器中的CEN輸入端為時(shí)鐘使能端，控制時(shí)鐘輸入,。當(dāng)預(yù)置門信號(hào)為高電平（預(yù)置時(shí)間開始）時(shí),，被測信號(hào)的上升沿通過D觸發(fā)器的輸出端，同時(shí)啟動(dòng)兩個(gè)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù),；同樣,，當(dāng)預(yù)置門信號(hào)為低電平（預(yù)置時(shí)間結(jié)束）時(shí)，被測信號(hào)的上升沿通過D觸發(fā)器的輸出端,，同時(shí)關(guān)閉計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù),。
圖2 等精度測頻邏輯框圖
系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
使用ST公司的32bit處理器STM32F103C8作為主控芯片與高可靠性的可編程邏輯器件EPM240T100C5結(jié)合設(shè)計(jì)成頻率計(jì)。
STM32F103C8的功能特點(diǎn)如下：(1) 最高頻率可達(dá)72MHz,，自帶128/64KB的FLASH,，1.25DMIPS/MHz,，可以訪問0等待周期的存儲(chǔ)器。(2)供電電壓范圍為2.0～3.6V了,，內(nèi)嵌8MHz高速晶體振蕩器,，也可外部時(shí)鐘供給，本系統(tǒng)采用CPLD時(shí)鐘分頻供給,。（3）下載模式可采用串行線調(diào)試（SWD）接口和JTAG接口,，本系統(tǒng)采用JTAG下載接口。
EPM240T100C5的功能特點(diǎn)如下：（1）支持內(nèi)部時(shí)鐘頻率300MHz,，本系統(tǒng)使用有源晶振50MHz供給,。（2）片內(nèi)電壓調(diào)整器支持3.3V、2.5V或1.8V電源輸入,，本系統(tǒng)使用3.3V電壓供給,。（3）下載模式使用10針JTAG接口。
1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖
系統(tǒng)通過對STM32F103C8微控器的控制,，經(jīng)SPI總線向CPLD芯片EPM240T100發(fā)送數(shù)據(jù)和命令來控制內(nèi)部邏輯單元,。EPM240T100使用外部有源晶振50MHz供給，經(jīng)4分頻12.5MHz作為CPU的輸入時(shí)鐘,。該系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示,。其包括主控芯片模塊、JTAG下載模塊,、復(fù)位電路模塊,、上位機(jī)顯示模塊、被測量輸入模塊,。
圖3 系統(tǒng)框圖
2 系統(tǒng)的數(shù)字電路設(shè)計(jì)
微控器原理如圖4所示,。本系統(tǒng)處理器使用STM2F103C8，時(shí)鐘由CPLD分頻供給CPU,，通過SPI方式將數(shù)據(jù)和命令傳送給CPLD,，而后用串口RS232發(fā)送到上位機(jī)顯示。
圖4 微控器原理圖