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1 概述 在通信系統中，頻率測量具有重要地位。近幾年來頻率測量技術所覆蓋的領域越來越廣泛，測量精度越來越高，與不同學科的聯系也越來越密切。與頻率測量技術緊密相連的領域有通信、導航、空間科學、儀器儀表、材料科學、計量技術、電子技術、天文學、物理學和生物化學等。 頻率測量一般都是由計數器和定時器完成，將兩個定時／計數器一個設置為定時器，另一個設置為計數器，定時時間到后產生中斷，在中斷服務程序中處理結果，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或定時，而是由軟件查詢或中斷響應后再停止計數，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有一定的時間延遲，難以做到精確測量。本系統設計以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同步。這種測量方法保證了測量誤差與被測頻率無關，實現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。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而設計的，頻率測量范圍由微擾測濕系統的混頻器輸出范圍確定。 整個測濕系統如圖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，將產生1 MHz的頻偏，調整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。再設置本地振蕩器頻率為9.6 GHz，經混頻后對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品，它內部具有豐富的定時資源，內含看門狗定時器(WDT)和基本定時器，定時器A(Timer_A)和定時器B(Timer_B)結構基本相同，都是16位定時器。本設計選用定時器A和定時器B分別對待測頻率FX和標準頻率F0計數，在預定的閘門時間內，如果計數器A的計數值為N1，計數器B的計數值為N0，則待測頻率為： 為了減少誤差，應確保閘門的開啟和關閉與待測信號同步。單片機的標準頻率為8 MHz，其計數最高可達到8 MHz，(一個時鐘周期可以執行一條指令，傳統的MCS51單片機需要12個時鐘周期才可執行一條指令)，而測量范圍是0 MHz～10 MHz，故計數時需要先對計數器分頻，MSP430系列單片機內部定時器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，使設計電路簡單，并且能達到測量要求。 2.2 系統工作原理 為了實現高精度、等精度的雙計數頻率測量，計數相關器是關鍵，所謂計數相關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，軟件指令設置TACTL和TBCTL使定時器A和定時器B清零，做好計數準備。單片機的P5.1口和D觸發器的D端相連．在計數前P5.1口輸出始終為零，這樣計數信號不能通過與非門到達計數器，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。當計數滿時，TBIFG1置位，產生中斷，在中斷服務程序中對P5.1口寫入“0”信號，做好關閉閘門的準備，但這時閘門并沒有真正關閉，等待被測信號的上升沿到來，閘門關閉，停止計數。由此可知，在整個計數過程中，從閘門開啟到閘門關閉，實際閘門開啟時間是被測信號計數周期的整數倍，避免了由于非整數周期造成的誤差，實現了閘門開啟和關閉與待測信號的同步。由于計數器Timer_B至少產生一次中斷才能關閉閘門，理論上在此期間基準脈沖數為NB=8×65 536(8為計數器Timer_B的分頻系數)。圖3是等精度實現原理圖。 2.3 寄存器設置 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計數之前，必須根據需要設置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，MC1和MC0位選擇計數模式。TACTL和TBCTL的設置如表1所列。 3 等精度測量的實現 N1和N0分別為計數器Timer_A和Timer_B記得的數值，F0為標準晶體的頻率，Fx為待測信號的頻率，T閘門時間，則： 由于計數器A的計數脈沖與閘門同步，因而不存在±1的誤差。對于標頻計數器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，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，僅與標準信號和閘門時間有關，故可實現測量范圍內的等精度測量。而且閘門時間越長，標準頻率越高，精度也就越高。標準頻率可由穩定度好，精度高的高頻率晶體振蕩器產生，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值NB的±1誤差是主要誤差。 (2) 時鐘脈沖產生的標準頻率F0的穩定度產生的測量誤差。時鐘脈沖由晶體振蕩器產生。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，穩定度一般在10-7數量級以上。而恒溫晶體振蕩器的穩定度更高，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。 4 CPLD設計 本系統設計采用Altera公司生產的CPLD器件EPM7128實現其中的邏輯部分。用MAXPLUS+11軟件工具開發，采用Verilog語言編程。設計輸人完成后，進行整體的編譯和邏輯仿真，然后進行轉換、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，實現其硬件功能。仿真波形如圖4所示，其參數為：beice=8 MHz，biaozhun=50 MHz。結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 結束語 本頻率計的設計將MSP430單片機的計數器Timer_A和Timer_B均設置為計數方式，比以往一個定時／計數器作定時器，另一個定時／計數器作計數器的方式計數精度要高，并且測量精度與被測信號無關，實現了0 MHz～10 MHz頻率范圍內的等精度測量，智能閘門控制方式使測量方便、靈活。本頻率測量系統還能實現更高頻率測量范圍的等精度測量，這時要根據不同測量系統的要求選擇24位、32位計數器。 |
