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(xué)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(dǎo)航、空間科學(xué)、儀器儀表、材料科學(xué)、計量技術(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(dá)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(dá)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)晶振、1個D觸發(fā)器、2個與非門、復(fù)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(biāo)準(zhǔn)頻率F0計數(shù)，在預(yù)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(biāo)準(zhǔn)頻率為8 MHz，其計數(shù)最高可達(dá)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(jìn)行1、2、4、8分頻，使設(shè)計電路簡單，并且能達(dá)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(dāng)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(zhǔn)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(dá)計數(shù)器，然后用軟件指令向P5.1口寫入信號1，當(dāng)被測信號Fx的第一個上升沿到達(dá)時，與非門U2和U3開啟，標(biāo)準(zhǔn)信號和待測信號同時計數(shù)。當(dāng)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(zhǔn)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(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)頻計數(shù)器B，由于門控啟閉的隨機性以及T／TC（TC為標(biāo)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(dǎo)，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(biāo)準(zhǔn)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(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，在保證測量精度不變的前提下，提高標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)頻率的隨機性導(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)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(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，則測頻精度為1／（8×65 536）=1.907e-6。若要進(jìn)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(jìn)行整體的編譯和邏輯仿真，然后進(jìn)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(dá)到了期望指標(biāo)。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。

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