1 概述
在通信系統(tǒng)中，頻率測量具有重要地位,。近幾年來頻率測量技術(shù)所覆蓋的領(lǐng)域越來越廣泛,，測量精度越來越高，與不同學科的聯(lián)系也越來越密切,。與頻率測量技術(shù)緊密相連的領(lǐng)域有通信,、導航,、空間科學,、儀器儀表、材料科學,、計量技術(shù),、電子技術(shù)、天文學,、物理學和生物化學等,。
頻率測量一般都是由計數(shù)器和定時器完成，將兩個定時／計數(shù)器一個設(shè)置為定時器,，另一個設(shè)置為計數(shù)器,，定時時間到后產(chǎn)生中斷，在中斷服務(wù)程序中處理結(jié)果,，求出頻率,。這種方法雖然測量范圍較寬,，但由于存在軟件延時，盡管在高頻段能達到較高的精度,，而低頻段的測量精度較低,。所以利用單片機測頻時，如果選擇不好的測量方法,，可能會引起很大的誤差,。測量頻率時如果不是真正依靠硬件控制計數(shù)或定時，而是由軟件查詢或中斷響應(yīng)后再停止計數(shù),，雖然理論上能達到很高的精度,，但實際測量中由于單片機響應(yīng)有一定的時間延遲，難以做到精確測量,。本系統(tǒng)設(shè)計以MSP4130單片機為核心,，在軟件編程中采用C430語言，采用硬件邏輯和軟件指令相結(jié)合的方法,，取代單純用軟件指令控制閘門,，使閘門的開啟與計數(shù)同步。這種測量方法保證了測量誤差與被測頻率無關(guān),，實現(xiàn)了高低頻段的等精度測量,。
2 工
作原理
頻率是微波儀器的重要參數(shù)。微波頻率測量是檢測儀器是否正常運行的有效手段,，而提高頻率測量精度是微波頻率測量可靠性的保證,。
本頻率計主要是針對微波微擾法單腔測濕系統(tǒng)而設(shè)計的，頻率測量范圍由微擾測濕系統(tǒng)的混頻器輸出范圍確定,。
整個測濕系統(tǒng)如圖1所示,，在沒有濕蒸汽流過諧振腔時，其諧振頻率為9.6 GHz,，此頻率較高,，一般不能直接測量，而是采用混頻的方法,。輸入壓控振蕩器(VCO)的電壓范圍為0 V～10 V,，其工作特點是電壓每變換1 V，將產(chǎn)生1 MHz的頻偏,，調(diào)整VCO的中心頻率為9.6 GHz,，則壓控振蕩器VCO的輸出頻率范圍為9 600 GHz～9 610 GHz。再設(shè)置本地振蕩器頻率為9.6 GHz,，經(jīng)混頻后對0 MHz～10MHz的差頻信號進行實時測量,。因此，頻率計的頻率范圍為0 MHz～10 MHz。
2.1 頻率計原理
等精度頻率計的硬件邏輯原理圖如圖2所示,，主要由MSP430單片機,、標準晶振、1個D觸發(fā)器,、2個與非門,、復位電路、顯示電路等組成,。其中MSP430單片機是由德州儀器公司推出的16位超低功耗高性能產(chǎn)品,，它內(nèi)部具有豐富的定時資源，內(nèi)含看門狗定時器(WDT)和基本定時器,，定時器A(Timer_A)和定時器B(Timer_B)結(jié)構(gòu)基本相同,，都是16位定時器。本設(shè)計選用定時器A和定時器B分別對待測頻率FX和標準頻率F0計數(shù),，在預定的閘門時間內(nèi),，如果計數(shù)器A的計數(shù)值為N1，計數(shù)器B的計數(shù)值為N0,，則待測頻率為：
為了減少誤差,，應(yīng)確保閘門的開啟和關(guān)閉與待測信號同步。單片機的標準頻率為8 MHz,，其計數(shù)最高可達到8 MHz,，(一個時鐘周期可以執(zhí)行一條指令，傳統(tǒng)的MCS51單片機需要12個時鐘周期才可執(zhí)行一條指令),，而測量范圍是0 MHz～10 MHz,，故計數(shù)時需要先對計數(shù)器分頻，MSP430系列單片機內(nèi)部定時器Timer_ A和Timer_ B自帶分頻器,，可以對所測頻率進行1,、2、4,、8分頻,，使設(shè)計電路簡單，并且能達到測量要求,。
2.2 系統(tǒng)工作原理
為了實現(xiàn)高精度,、等精度的雙計數(shù)頻率測量,，計數(shù)相關(guān)器是關(guān)鍵,，所謂計數(shù)相關(guān)器就是使門信號和待測信號同步。當按下S1,、S2,、S3三個按鍵中的任一按鍵時，與門U1(圖2中未給出)輸出0信號使D觸發(fā)器清零，Q端輸出0信號使與非門U2和U3封鎖,。與此同時,，軟件指令設(shè)置TACTL和TBCTL使定時器A和定時器B清零，做好計數(shù)準備,。單片機的P5.1口和D觸發(fā)器的D端相連．在計數(shù)前P5.1口輸出始終為零,，這樣計數(shù)信號不能通過與非門到達計數(shù)器，然后用軟件指令向P5.1口寫入信號1,，當被測信號Fx的第一個上升沿到達時,，與非門U2和U3開啟，標準信號和待測信號同時計數(shù),。當計數(shù)滿時,，TBIFG1置位，產(chǎn)生中斷,，在中斷服務(wù)程序中對P5.1口寫入“0”信號,，做好關(guān)閉閘門的準備，但這時閘門并沒有真正關(guān)閉,，等待被測信號的上升沿到來,，閘門關(guān)閉，停止計數(shù),。由此可知,，在整個計數(shù)過程中，從閘門開啟到閘門關(guān)閉,，實際閘門開啟時間是被測信號計數(shù)周期的整數(shù)倍,，避免了由于非整數(shù)周期造成的誤差，實現(xiàn)了閘門開啟和關(guān)閉與待測信號的同步,。由于計數(shù)器Timer_B至少產(chǎn)生一次中斷才能關(guān)閉閘門,，理論上在此期間基準脈沖數(shù)為NB=8×65 536(8為計數(shù)器Timer_B的分頻系數(shù))。圖3是等精度實現(xiàn)原理圖,。
2.3 寄存器設(shè)置
定時器基本操作的控制包含在定時器控制寄存器TACTL和TBCTL中,，因此在利用定時器Timer_A和Timer_B計數(shù)之前，必須根據(jù)需要設(shè)置TACTL和TBCTL,，其中SSEL1和SSEL0選擇定時器輸入分頻器的時鐘源,，ID1和IDO選擇輸入的分頻系數(shù)，MC1和MC0位選擇計數(shù)模式,。TACTL和TBCTL的設(shè)置如表1所列,。
3 等精度測量的實現(xiàn)
N1和N0分別為計數(shù)器Timer_A和Timer_B記得的數(shù)值，F(xiàn)0為標準晶體的頻率,，F(xiàn)x為待測信號的頻率,，T閘門時間,，則：
由于計數(shù)器A的計數(shù)脈沖與閘門同步，因而不存在±1的誤差,。對于標頻計數(shù)器B,，由于門控啟閉的隨機性以及T／TC(TC為標頻信號的周期)之比為非整數(shù)，時間零頭無法計入,，故存在±1的誤差,。對(3)式求導，則
故精度為：
由(6)式可知,，測得的精度與被測信號無關(guān),，僅與標準信號和閘門時間有關(guān)，故可實現(xiàn)測量范圍內(nèi)的等精度測量,。而且閘門時間越長,，標準頻率越高，精度也就越高,。標準頻率可由穩(wěn)定度好,，精度高的高頻率晶體振蕩器產(chǎn)生，在保證測量精度不變的前提下,，提高標準信號頻率,，可使閘門寬度縮短，即可提高測試速度,。
誤差來源：
(1) 實際閘門對標準頻率的隨機性導致計數(shù)值NB的±1誤差是主要誤差,。
(2) 時鐘脈沖產(chǎn)生的標準頻率F0的穩(wěn)定度產(chǎn)生的測量誤差。時鐘脈沖由晶體振蕩器產(chǎn)生,。由于目前晶體振蕩器主要分為溫補晶體振蕩器和恒溫
晶體振蕩器兩大類,，其中，溫補晶體振蕩器體積小,，開機時間短,，穩(wěn)定度一般在10-7數(shù)量級以上。而恒溫晶體振蕩器的穩(wěn)定度更高,，因而相對于量化誤差,，標準頻率誤差可以忽略。公式(6)就是在忽略標準頻率誤差的情況下得到的,。由于分頻系數(shù)為8,，則測頻精度為1／(8×65 536)=1.907e-6。若要進一步提高頻率測量的精度則可以增加分頻系數(shù),。
4 CPLD設(shè)計
本系統(tǒng)設(shè)計采用Altera公司生產(chǎn)的CPLD器件EPM7128實現(xiàn)其中的邏輯部分,。用MAXPLUS+11軟件工具開發(fā)，采用Verilog語言編程,。設(shè)計輸人完成后,，進行整體的編譯和邏輯仿真，然后進行轉(zhuǎn)換,、布局,、延時仿真生成配置文件和下載文件，最后下載至EPM7128器件,，實現(xiàn)其硬件功能,。仿真波形如圖4所示，其參數(shù)為：beice=8 MHz,，biaozhun=50 MHz,。結(jié)果表明各信號的邏輯功能和時序配合都達到了期望指標。不同被測頻率的仿真值如表2所列,。
5 結(jié)束語
本頻率計的設(shè)計將MSP430單片機的計數(shù)器Timer_A和Timer_B均設(shè)置為計數(shù)方式,，比以往一個定時／計數(shù)器作定時器，另一個定時／計數(shù)器作計數(shù)器的方式計數(shù)精度要高,，并且測量精度與被測信號無關(guān),，實現(xiàn)了0 MHz～10 MHz頻率范圍內(nèi)的等精度測量，智能閘門控制方式使測量方便,、靈活,。本頻率測量系統(tǒng)還能實現(xiàn)更高頻率測量范圍的等精度測量，這時要根據(jù)不同測量系統(tǒng)的要求選擇24位,、32位計數(shù)器,。