基于ARM7的高精度頻率計(jì)的設(shè)計(jì)

0 引言

頻率是人們工作和生活當(dāng)中常用到的物理量之一。其中時(shí)間、速度等物理量都可以用頻率來(lái)表示。近年來(lái)隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，高精度的頻率計(jì)得到廣泛的重視與應(yīng)用，比如各大高校和科研院所的實(shí)驗(yàn)室需要用到的頻率計(jì)基準(zhǔn)。但是目前能夠滿足高精度測(cè)量要求的頻率計(jì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜而且價(jià)格昂貴，因此設(shè)計(jì)一款精度高、成本低的頻率計(jì)就十分必要了。

直接計(jì)數(shù)法是過(guò)去經(jīng)常用到的測(cè)量頻率的方法。直接計(jì)數(shù)法包括兩種測(cè)量原理，一種測(cè)量原理是在閘門時(shí)間T不變的情況下，對(duì)被測(cè)頻率進(jìn)行計(jì)數(shù)，通過(guò)所計(jì)的脈沖數(shù)N與T的比值求出相應(yīng)的頻率值;另一種原理是在給定的一個(gè)被測(cè)信號(hào)周期內(nèi)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)頻率進(jìn)行計(jì)數(shù)，通過(guò)所計(jì)的數(shù)值N0與標(biāo)準(zhǔn)頻率值求出被測(cè)頻率。但它們都存在±1個(gè)字的計(jì)數(shù)誤差。測(cè)量精度低。其次是多周期同步測(cè)量法，此方法又叫作倒數(shù)計(jì)數(shù)器法。它是目前頻率測(cè)量中應(yīng)用最為廣泛的測(cè)頻方法。多周期同步測(cè)量法的測(cè)量原理是在若干個(gè)給定的被測(cè)信號(hào)的周期中對(duì)標(biāo)準(zhǔn)頻率和被測(cè)頻率同時(shí)計(jì)數(shù)，根據(jù)所測(cè)得數(shù)值求出被測(cè)頻率。它讓不同的被測(cè)頻率與實(shí)際閘門同步，這樣就去除了被測(cè)頻率的±1個(gè)字的計(jì)數(shù)誤差，但標(biāo)準(zhǔn)頻率依然還存在±1個(gè)字的計(jì)數(shù)誤差。此外還有游標(biāo)法和模擬內(nèi)插法，這兩種方法分別通過(guò)游標(biāo)振蕩器和內(nèi)插器來(lái)減小±1個(gè)字的計(jì)數(shù)誤差，能夠達(dá)到很高的精度，但是儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜而且成本很高。

本文利用相位檢測(cè)技術(shù)，通過(guò)捕捉標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)和被測(cè)頻率的相位重合點(diǎn)，使這兩個(gè)頻率和實(shí)際閘門完全同步，從而消除了標(biāo)準(zhǔn)頻率和被測(cè)頻率中的±1個(gè)字的計(jì)數(shù)誤差，使測(cè)量中的精確度能夠達(dá)到10-10量級(jí)。但傳統(tǒng)頻率計(jì)的核心硬件設(shè)計(jì)大都使用16位單片機(jī)外接級(jí)聯(lián)的計(jì)數(shù)器，這樣不僅使電路復(fù)雜，引入不必要的誤差，無(wú)法保證測(cè)量精度，而且處理測(cè)量數(shù)據(jù)速度過(guò)慢，在當(dāng)今科研工作中已經(jīng)無(wú)法達(dá)到科研人員的科研要求。本文在此基礎(chǔ)上通過(guò)選用32位處理器ARM7作為主控芯片，比傳統(tǒng)的16位單片機(jī)提高了控制系統(tǒng)和測(cè)量數(shù)據(jù)處理的速度。

1 相頻檢測(cè)法原理及誤差分析

在相位檢測(cè)法頻率測(cè)量中有一個(gè)重要的概念就是最大公因子頻率。它的倒數(shù)為最小公倍數(shù)周期Tp。最大公因子頻率的定義為：如果對(duì)于任意兩個(gè)頻率信號(hào)和f1和f2，當(dāng)f1=M f0，f2=Nf0;其中M和N這兩個(gè)正整數(shù)沒有公共的約數(shù)，那么f0就是f1和f2之間的最大公因子頻率fp。兩個(gè)信號(hào)的量化相移分辨率設(shè)為，其公式如下：

在一個(gè)Tp周期中有M個(gè)f1的周期或者N個(gè)f2的周期T2。假設(shè)M>N且以f2的上升沿作為參考，那么量化后的f1和f2在一個(gè)Tp周期中有且只有N種相位差情況，并且每種情況在一個(gè)Tp周期中各不相同。若按大小表示則為

。當(dāng)兩個(gè)信號(hào)相位差十分小時(shí)，稱之為相位重合點(diǎn)。相位檢測(cè)測(cè)頻的原理就是捕捉若干個(gè)相位重合點(diǎn)，在這些相位重合點(diǎn)之間有完整的整數(shù)倍標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)和被測(cè)信號(hào)的周期，以此來(lái)設(shè)定實(shí)際的閘門時(shí)間。這樣就可以消除標(biāo)準(zhǔn)頻率和被測(cè)頻率中都存在±1個(gè)字的計(jì)數(shù)誤差。圖1為實(shí)際閘門生成的原理圖。

從圖1可以看出，當(dāng)參考閘門打開之后，首個(gè)相位重合點(diǎn)到來(lái)時(shí)，實(shí)際閘門開始計(jì)數(shù)，當(dāng)參考閘門閉合后首個(gè)相位重合點(diǎn)到來(lái)時(shí)，實(shí)際閘門閉合停止計(jì)數(shù)。當(dāng)實(shí)際閘門開啟時(shí)，計(jì)數(shù)器開始分別對(duì)標(biāo)準(zhǔn)頻率和被測(cè)頻率計(jì)數(shù)，假設(shè)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)脈沖個(gè)數(shù)為N0，被測(cè)信號(hào)脈沖個(gè)數(shù)為Nx，那么被測(cè)信號(hào)頻率值為：

因?yàn)?delta;Q要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于Tx和T0，所以此方法能夠獲得相當(dāng)高的測(cè)量精確度。在多周期同步測(cè)量中的相對(duì)誤差與式(6)相同。其中的δN0=±1而δNx=0，所以此倒數(shù)計(jì)數(shù)器法在省略標(biāo)準(zhǔn)頻率的影響下測(cè)量相對(duì)誤差為：

由式(11)可知，被測(cè)信號(hào)的相對(duì)誤差由標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的周期的±1倍所引起。因此將被測(cè)頻率與標(biāo)準(zhǔn)頻率同時(shí)同步后測(cè)量的值要更精準(zhǔn)。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

圖2為相檢頻率計(jì)的整體框圖。由于被測(cè)信號(hào)要求最大測(cè)量頻率為10MHz，測(cè)量精度達(dá)到10-10量級(jí)，因此標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)頻率精度要至少達(dá)到10-11量級(jí)。基于此本文選用安捷倫公司生產(chǎn)的恒溫晶振10811A作為標(biāo)準(zhǔn)頻率的輸出設(shè)備，其最大輸出頻率為10MHz，準(zhǔn)確度優(yōu)于10-11。同時(shí)其具有體積小、便于產(chǎn)品設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，因此滿足設(shè)計(jì)要求。

其中頻率經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路的目的是對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行必要的整形與放大。它的輸入阻抗以及輸入電壓的靈敏度要高，以及能夠調(diào)理各種波形的周期性信號(hào)，其中良好的抗干擾能力也是必不可少的。因此本設(shè)計(jì)選擇應(yīng)用比較器ADCMP604實(shí)現(xiàn)信號(hào)調(diào)理功能，將信號(hào)整形為方波信號(hào)。ADCMP604的延遲時(shí)間大約為1.6ns，與被測(cè)信號(hào)10MHz相比可以忽略不計(jì)。與此同時(shí)，電路在抑制共模干擾方面決定采用LVDS差分信號(hào)輸出來(lái)實(shí)現(xiàn)。電路圖如圖3所示。其中Vp端接被測(cè)信號(hào)，Vn端接地，當(dāng)fx大于0時(shí)，Q端輸出為高電平，當(dāng)fx小于0時(shí)，Q端輸出為低電平。

和Q是LVDS兼容差分輸出端。C1為去高頻噪聲電容，其值為0.01μF。C2為去耦電容，目的是為了保證比較門限的穩(wěn)定。LVDS差分信號(hào)接收端的匹配電阻R1值為100Ω。

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