在電子工程、資源勘探、儀器儀表等相關(guān)應(yīng)用中，頻率測量是電子測量技術(shù)中最基本最常見的測量之一，頻率計(jì)也是工程技術(shù)人員必不可少的測量工具。但是，傳統(tǒng)的頻率測量方法在實(shí)際應(yīng)用中有較大的局限性，基于傳統(tǒng)測頻原理的頻率計(jì)的測量精度將隨被測信號頻率的變化而變化，傳統(tǒng)的直接測頻法其測量精度將隨被測信號頻率的降低而降低，測周法的測量精度將隨被測信號頻率的升高而降低。本文中提出一種基于ARM與CPLD寬頻帶的數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)，以微控器STM32作為核心控制芯片，利用CPLD可編程邏輯器件，實(shí)現(xiàn)閘門測量技術(shù)的等精度測頻。
本設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)：
測頻范圍：1Hz～200MHz，分辨率為0.1Hz，測頻相對誤差百萬分之一。
周期測量：信號測量范圍與精度要求與測頻功能相同。
占空比測量：準(zhǔn)確度99%。
計(jì)數(shù)范圍：0～1000000000，可手動暫停、復(fù)位。
功耗大小：5V×250mA= 1.25W。
等精度測頻原理
常用的直接測頻方法主要有測頻法和測周期法兩種。測頻法就是在確定的閘門時間Tw內(nèi)，記錄被測信號的變化周期數(shù)（或脈沖個數(shù)）Nx，則被測信號的頻率為：fx=Nx/Tw。測周期法需要有標(biāo)準(zhǔn)信號的頻率fs，在待測信號的一個周期Tx內(nèi)，記錄標(biāo)準(zhǔn)頻率的周期數(shù)Ns，則被測信號的頻率為：fx=fs/Ns。這兩種方法的計(jì)數(shù)值會產(chǎn)生±1個字誤差，并且測試精度與計(jì)數(shù)器中記錄的數(shù)值Nx或Ns有關(guān)。為了保證測試精度，一般對于低頻信號采用測周期法，對于高頻信號采用測頻法。但由于測試時很不方便，又提出了等精度測頻方法。等精度測頻方法是在直接測頻方法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它的閘門時間不是固定值，而是被測信號周期的整數(shù)倍，即與被測信號同步。 等精度測頻系統(tǒng)的控制時序圖如圖1所示。
圖1 等精度測頻系統(tǒng)的控制時序圖
在測量過程中，有兩個計(jì)數(shù)器分別對標(biāo)準(zhǔn)信號和被測信號同時計(jì)數(shù)。首先給出閘門開啟信號（預(yù)置閘門上升沿），此時計(jì)數(shù)器并不開始計(jì)數(shù)，而是等到被測信號的上升沿到來時，計(jì)數(shù)器才真正開始計(jì)數(shù)。然后，預(yù)置閘門關(guān)閉信號（下降沿）到來時，計(jì)數(shù)器并不立即停止計(jì)數(shù)，而是等到被測號的上升沿到來時才結(jié)束計(jì)數(shù)，完成一次測量過程。可以看出，實(shí)際閘門時間r與預(yù)置閘門時間r1并不嚴(yán)格相等，但差值不超過被測信號的一個周期。設(shè)在一次實(shí)際閘門時間r中，計(jì)數(shù)器對被測信號的計(jì)數(shù)值為Nx，對標(biāo)準(zhǔn)信號的計(jì)數(shù)值為Ns，標(biāo)準(zhǔn)信號的頻率為fs，則被測信號的頻率如式（1）所示。
(1)
圖2為等精度測頻邏輯框圖，CNT1和CNT2是兩個可控計(jì)數(shù)器，標(biāo)準(zhǔn)頻率信號fs信號從CNT1的時鐘輸入端CLK輸入，經(jīng)整形后的被測信號fx從CNT2的時鐘輸入端CLK輸入。每個計(jì)數(shù)器中的CEN輸入端為時鐘使能端，控制時鐘輸入。當(dāng)預(yù)置門信號為高電平（預(yù)置時間開始）時，被測信號的上升沿通過D觸發(fā)器的輸出端，同時啟動兩個計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)；同樣，當(dāng)預(yù)置門信號為低電平（預(yù)置時間結(jié)束）時，被測信號的上升沿通過D觸發(fā)器的輸出端，同時關(guān)閉計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)。
圖2 等精度測頻邏輯框圖
系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
使用ST公司的32bit處理器STM32F103C8作為主控芯片與高可靠性的可編程邏輯器件EPM240T100C5結(jié)合設(shè)計(jì)成頻率計(jì)。
STM32F103C8的功能特點(diǎn)如下：(1) 最高頻率可達(dá)72MHz，自帶128/64KB的FLASH，1.25DMIPS/MHz，可以訪問0等待周期的存儲器。(2)供電電壓范圍為2.0～3.6V了，內(nèi)嵌8MHz高速晶體振蕩器，也可外部時鐘供給，本系統(tǒng)采用CPLD時鐘分頻供給。（3）下載模式可采用串行線調(diào)試（SWD）接口和JTAG接口，本系統(tǒng)采用JTAG下載接口。
EPM240T100C5的功能特點(diǎn)如下：（1）支持內(nèi)部時鐘頻率300MHz，本系統(tǒng)使用有源晶振50MHz供給。（2）片內(nèi)電壓調(diào)整器支持3.3V、2.5V或1.8V電源輸入，本系統(tǒng)使用3.3V電壓供給。（3）下載模式使用10針JTAG接口。
1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖
系統(tǒng)通過對STM32F103C8微控器的控制，經(jīng)SPI總線向CPLD芯片EPM240T100發(fā)送數(shù)據(jù)和命令來控制內(nèi)部邏輯單元。EPM240T100使用外部有源晶振50MHz供給，經(jīng)4分頻12.5MHz作為CPU的輸入時鐘。該系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。其包括主控芯片模塊、JTAG下載模塊、復(fù)位電路模塊、上位機(jī)顯示模塊、被測量輸入模塊。
圖3 系統(tǒng)框圖
2 系統(tǒng)的數(shù)字電路設(shè)計(jì)
微控器原理如圖4所示。本系統(tǒng)處理器使用STM2F103C8，時鐘由CPLD分頻供給CPU，通過SPI方式將數(shù)據(jù)和命令傳送給CPLD，而后用串口RS232發(fā)送到上位機(jī)顯示。
圖4 微控器原理圖