1 概述

　　在通信系統(tǒng)中，頻率測(cè)量具有重要地位,。近幾年來(lái)頻率測(cè)量技術(shù)所覆蓋的領(lǐng)域越來(lái)越廣泛，測(cè)量精度越來(lái)越高,，與不同學(xué)科的聯(lián)系也越來(lái)越密切,。與頻率測(cè)量技術(shù)緊密相連的領(lǐng)域有通信、導(dǎo)航,、空間科學(xué),、儀器儀表、材料科學(xué),、計(jì)量技術(shù),、電子技術(shù)、天文學(xué),、物理學(xué)和生物化學(xué)等,。

　　頻率測(cè)量一般都是由計(jì)數(shù)器和定時(shí)器完成，將兩個(gè)定時(shí)／計(jì)數(shù)器一個(gè)設(shè)置為定時(shí)器,，另一個(gè)設(shè)置為計(jì)數(shù)器,，定時(shí)時(shí)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(cè)量范圍較寬，但由于存在軟件延時(shí),，盡管在高頻段能達(dá)到較高的精度,，而低頻段的測(cè)量精度較低。所以利用單片機(jī)測(cè)頻時(shí),，如果選擇不好的測(cè)量方法,，可能會(huì)引起很大的誤差。測(cè)量頻率時(shí)如果不是真正依靠硬件控制計(jì)數(shù)或定時(shí),，而是由軟件查詢(xún)或中斷響應(yīng)后再停止計(jì)數(shù),，雖然理論上能達(dá)到很高的精度，但實(shí)際測(cè)量中由于單片機(jī)響應(yīng)有一定的時(shí)間延遲,，難以做到精確測(cè)量,。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)以MSP4130單片機(jī)為核心，在軟件編程中采用C430語(yǔ)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(mén),，使閘門(mén)的開(kāi)啟與計(jì)數(shù)同步。這種測(cè)量方法保證了測(cè)量誤差與被測(cè)頻率無(wú)關(guān),，實(shí)現(xiàn)了高低頻段的等精度測(cè)量,。

　　2 工

作原理

　　頻率是微波儀器的重要參數(shù)。微波頻率測(cè)量是檢測(cè)儀器是否正常運(yùn)行的有效手段,，而提高頻率測(cè)量精度是微波頻率測(cè)量可靠性的保證,。

　　本頻率計(jì)主要是針對(duì)微波微擾法單腔測(cè)濕系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的，頻率測(cè)量范圍由微擾測(cè)濕系統(tǒng)的混頻器輸出范圍確定,。

　　整個(gè)測(cè)濕系統(tǒng)如圖1所示,，在沒(méi)有濕蒸汽流過(guò)諧振腔時(shí)，其諧振頻率為9.6 GHz,，此頻率較高,，一般不能直接測(cè)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(diǎn)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(duì)0 MHz～10MHz的差頻信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量,。因此，頻率計(jì)的頻率范圍為0 MHz～10 MHz,。

　　2.1 頻率計(jì)原理

　　等精度頻率計(jì)的硬件邏輯原理圖如圖2所示,，主要由MSP430單片機(jī)、標(biāo)準(zhǔn)晶振,、1個(gè)D觸發(fā)器,、2個(gè)與非門(mén)、復(fù)位電路,、顯示電路等組成,。其中MSP430單片機(jī)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(shí)資源,，內(nèi)含看門(mén)狗定時(shí)器(WDT)和基本定時(shí)器,，定時(shí)器A(Timer_A)和定時(shí)器B(Timer_B)結(jié)構(gòu)基本相同，都是16位定時(shí)器,。本設(shè)計(jì)選用定時(shí)器A和定時(shí)器B分別對(duì)待測(cè)頻率FX和標(biāo)準(zhǔn)頻率F0計(jì)數(shù),，在預(yù)定的閘門(mén)時(shí)間內(nèi),，如果計(jì)數(shù)器A的計(jì)數(shù)值為N1，計(jì)數(shù)器B的計(jì)數(shù)值為N0,，則待測(cè)頻率為：

　　為了減少誤差，應(yīng)確保閘門(mén)的開(kāi)啟和關(guān)閉與待測(cè)信號(hào)同步,。單片機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)頻率為8 MHz,，其計(jì)數(shù)最高可達(dá)到8 MHz，(一個(gè)時(shí)鐘周期可以執(zhí)行一條指令,，傳統(tǒng)的MCS51單片機(jī)需要12個(gè)時(shí)鐘周期才可執(zhí)行一條指令),，而測(cè)量范圍是0 MHz～10 MHz，故計(jì)數(shù)時(shí)需要先對(duì)計(jì)數(shù)器分頻,，MSP430系列單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器Timer_ A和Timer_ B自帶分頻器,，可以對(duì)所測(cè)頻率進(jìn)行1、2,、4,、8分頻，使設(shè)計(jì)電路簡(jiǎn)單,，并且能達(dá)到測(cè)量要求,。

　　2.2 系統(tǒng)工作原理

　　為了實(shí)現(xiàn)高精度、等精度的雙計(jì)數(shù)頻率測(cè)量,，計(jì)數(shù)相關(guān)器是關(guān)鍵,，所謂計(jì)數(shù)相關(guān)器就是使門(mén)信號(hào)和待測(cè)信號(hào)同步。當(dāng)按下S1,、S2,、S3三個(gè)按鍵中的任一按鍵時(shí)，與門(mén)U1(圖2中未給出)輸出0信號(hào)使D觸發(fā)器清零,，Q端輸出0信號(hào)使與非門(mén)U2和U3封鎖,。與此同時(shí)，軟件指令設(shè)置TACTL和TBCTL使定時(shí)器A和定時(shí)器B清零,，做好計(jì)數(shù)準(zhǔn)備,。單片機(jī)的P5.1口和D觸發(fā)器的D端相連．在計(jì)數(shù)前P5.1口輸出始終為零，這樣計(jì)數(shù)信號(hào)不能通過(guò)與非門(mén)到達(dá)計(jì)數(shù)器,，然后用軟件指令向P5.1口寫(xiě)入信號(hào)1,，當(dāng)被測(cè)信號(hào)Fx的第一個(gè)上升沿到達(dá)時(shí)，與非門(mén)U2和U3開(kāi)啟,，標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)和待測(cè)信號(hào)同時(shí)計(jì)數(shù),。當(dāng)計(jì)數(shù)滿(mǎn)時(shí)，TBIFG1置位,，產(chǎn)生中斷,，在中斷服務(wù)程序中對(duì)P5.1口寫(xiě)入“0”信號(hào)，做好關(guān)閉閘門(mén)的準(zhǔn)備，但這時(shí)閘門(mén)并沒(méi)有真正關(guān)閉,，等待被測(cè)信號(hào)的上升沿到來(lái),，閘門(mén)關(guān)閉，停止計(jì)數(shù),。由此可知,，在整個(gè)計(jì)數(shù)過(guò)程中，從閘門(mén)開(kāi)啟到閘門(mén)關(guān)閉,，實(shí)際閘門(mén)開(kāi)啟時(shí)間是被測(cè)信號(hào)計(jì)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(shí)現(xiàn)了閘門(mén)開(kāi)啟和關(guān)閉與待測(cè)信號(hào)的同步,。由于計(jì)數(shù)器Timer_B至少產(chǎn)生一次中斷才能關(guān)閉閘門(mén),，理論上在此期間基準(zhǔn)脈沖數(shù)為NB=8×65 536(8為計(jì)數(shù)器Timer_B的分頻系數(shù))。圖3是等精度實(shí)現(xiàn)原理圖,。

　　2.3 寄存器設(shè)置

　　定時(shí)器基本操作的控制包含在定時(shí)器控制寄存器TACTL和TBCTL中,，因此在利用定時(shí)器Timer_A和Timer_B計(jì)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(shí)器輸入分頻器的時(shí)鐘源,，ID1和IDO選擇輸入的分頻系數(shù)，MC1和MC0位選擇計(jì)數(shù)模式,。TACTL和TBCTL的設(shè)置如表1所列,。
 

　　3 等精度測(cè)量的實(shí)現(xiàn)

　　N1和N0分別為計(jì)數(shù)器Timer_A和Timer_B記得的數(shù)值，F(xiàn)0為標(biāo)準(zhǔn)晶體的頻率,，F(xiàn)x為待測(cè)信號(hào)的頻率,，T閘門(mén)時(shí)間，則：

　　由于計(jì)數(shù)器A的計(jì)數(shù)脈沖與閘門(mén)同步,，因而不存在±1的誤差,。對(duì)于標(biāo)頻計(jì)數(shù)器B，由于門(mén)控啟閉的隨機(jī)性以及T／TC(TC為標(biāo)頻信號(hào)的周期)之比為非整數(shù),，時(shí)間零頭無(wú)法計(jì)入,，故存在±1的誤差。對(duì)(3)式求導(dǎo),，則

　　故精度為：

　　由(6)式可知,，測(cè)得的精度與被測(cè)信號(hào)無(wú)關(guān)，僅與標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)和閘門(mén)時(shí)間有關(guān),，故可實(shí)現(xiàn)測(cè)量范圍內(nèi)的等精度測(cè)量,。而且閘門(mén)時(shí)間越長(zhǎng)，標(biāo)準(zhǔn)頻率越高,，精度也就越高,。標(biāo)準(zhǔn)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(cè)量精度不變的前提下,，提高標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)頻率,，可使閘門(mén)寬度縮短，即可提高測(cè)試速度,。

　　誤差來(lái)源：

　　(1) 實(shí)際閘門(mén)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)頻率的隨機(jī)性導(dǎo)致計(jì)數(shù)值NB的±1誤差是主要誤差,。

　　(2) 時(shí)鐘脈沖產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)頻率F0的穩(wěn)定度產(chǎn)生的測(cè)量誤差。時(shí)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(bǔ)晶體振蕩器和恒溫

晶體振蕩器兩大類(lèi),，其中,，溫補(bǔ)晶體振蕩器體積小,，開(kāi)機(jī)時(shí)間短，穩(wěn)定度一般在10-7數(shù)量級(jí)以上,。而恒溫晶體振蕩器的穩(wěn)定度更高,，因而相對(duì)于量化誤差，標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差可以忽略,。公式(6)就是在忽略標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差的情況下得到的,。由于分頻系數(shù)為8，則測(cè)頻精度為1／(8×65 536)=1.907e-6,。若要進(jìn)一步提高頻率測(cè)量的精度則可以增加分頻系數(shù),。

　　4 CPLD設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用Altera公司生產(chǎn)的CPLD器件EPM7128實(shí)現(xiàn)其中的邏輯部分。用MAXPLUS+11軟件工具開(kāi)發(fā),，采用Verilog語(yǔ)言編程,。設(shè)計(jì)輸人完成后，進(jìn)行整體的編譯和邏輯仿真,，然后進(jìn)行轉(zhuǎn)換,、布局、延時(shí)仿真生成配置文件和下載文件,，最后下載至EPM7128器件,，實(shí)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(hào)的邏輯功能和時(shí)序配合都達(dá)到了期望指標(biāo),。不同被測(cè)頻率的仿真值如表2所列,。

　　5 結(jié)束語(yǔ)

　　本頻率計(jì)的設(shè)計(jì)將MSP430單片機(jī)的計(jì)數(shù)器Timer_A和Timer_B均設(shè)置為計(jì)數(shù)方式，比以往一個(gè)定時(shí)／計(jì)數(shù)器作定時(shí)器,，另一個(gè)定時(shí)／計(jì)數(shù)器作計(jì)數(shù)器的方式計(jì)數(shù)精度要高,，并且測(cè)量精度與被測(cè)信號(hào)無(wú)關(guān),，實(shí)現(xiàn)了0 MHz～10 MHz頻率范圍內(nèi)的等精度測(cè)量，智能閘門(mén)控制方式使測(cè)量方便,、靈活,。本頻率測(cè)量系統(tǒng)還能實(shí)現(xiàn)更高頻率測(cè)量范圍的等精度測(cè)量，這時(shí)要根據(jù)不同測(cè)量系統(tǒng)的要求選擇24位,、32位計(jì)數(shù)器,。