1 概述

在通信系統(tǒng)中，頻率測(cè)量具有重要地位。近幾年來頻率測(cè)量技術(shù)所覆蓋的領(lǐng)域越來越廣泛，測(cè)量精度越來越高，與不同學(xué)科的聯(lián)系也越來越密切。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(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，在沒有濕蒸汽流過諧振腔時(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、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)確保閘門的開啟和關(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)不能通過與非門到達(dá)計(jì)數(shù)器，然后用軟件指令向P5.1口寫入信號(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U2和U3開啟，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口寫入“0”信號(hào)，做好關(guān)閉閘門的準(zhǔn)備，但這時(shí)閘門并沒有真正關(guān)閉，等待被測(cè)信號(hào)的上升沿到來，閘門關(guān)閉，停止計(jì)數(shù)。由此可知，在整個(gè)計(jì)數(shù)過程中，從閘門開啟到閘門關(guān)閉，實(shí)際閘門開啟時(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)了閘門開啟和關(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，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閘門時(shí)間，則：

由于計(jì)數(shù)器A的計(jì)數(shù)脈沖與閘門同步，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)無關(guān)，僅與標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)和閘門時(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，可使閘門寬度縮短，即可提高測(cè)試速度。

誤差來源：

(1) 實(shí)際閘門對(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，其中，溫補(bǔ)晶體振蕩器體積小，開機(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軟件工具開發(fā)，采用Verilog語言編程。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

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。