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頻率信號具有抗干擾性強，易于傳輸，易于保持信息完整性和可以獲得較高測量精度等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于日常生活、工業(yè)等各個領(lǐng)域，頻率測量成為信息提取、設(shè)備檢測等過程中的一個重要環(huán)節(jié)。頻率檢測作為電子測量領(lǐng)域最基本的測量之一，隨著數(shù)字電子技術(shù)的發(fā)展而得到了長足的進步，數(shù)字頻率測量也得到了越來越廣泛的應(yīng)用，從而使測頻原理和測頻方法的研究受到越來越多的關(guān)注。納米軟件在頻率測量原理和方法的基礎(chǔ)上，主要介紹一種基于PXI總線的寬帶、高精度數(shù)字頻率計的設(shè)計與實現(xiàn)。

1測頻原理

目前對頻率的測量采用的方法主要有：圍繞電子計數(shù)器計一定時間內(nèi)的脈沖個數(shù)來確定頻率;對信號時頻變換的算法進行研究。本文主要討論前者。

1.1直接測頻法

電子計數(shù)器是一種利用比較法進行測量的最常見、最基本的數(shù)字化儀器，是其他數(shù)字化儀器的基礎(chǔ)。頻率在時間軸上是無限延伸的，因此對頻率測量需要確定一個取樣時間T，在該時間內(nèi)對被測信號的周期進行累加計數(shù)(若計數(shù)值為N)，根據(jù)fx=N/T得到頻率值。此種方法由于閘門時間與被測信號不同步，計數(shù)時存在±1的計數(shù)誤差，影響測頻精度。

1.2等精度測量法

可見直接測頻法雖然設(shè)計簡單，但是精度不高，為消除“±1計數(shù)誤差”，對其進行改進如圖1所示。

被測信號經(jīng)過濾波、放大、分頻、整形預(yù)處理之后，將處理后的方波信號和閘門時間預(yù)置方波信號進行同步控制。同步控制一般由D觸發(fā)器和三態(tài)門來實現(xiàn)。在測頻率和周期時，單片機控制中心發(fā)出清零信號使三態(tài)傳輸門處于高阻狀態(tài)，同時給出啟動閘門信號，當被測信號整形后的方波信號上升沿到來時，同步控制發(fā)出信號，使閘門A和閘門B同時開始對被測信號和標準信號進行計數(shù)。當單片機發(fā)出結(jié)束閘門信號后，fx的方波信號上升沿的到來，將使計數(shù)器停止計數(shù)，并申請中斷服務(wù)。這樣便實現(xiàn)了閘門的啟閉與fx同步，再將中斷服務(wù)送來的數(shù)據(jù)送入運算中心進行處理，最后將結(jié)果送入顯示系統(tǒng)，顯示測量結(jié)果。時序圖如圖2所示。

經(jīng)分析，誤差主要來自標頻信號與閘門B不同步產(chǎn)生的“±1”誤差，為進一步提高測頻精度，提出了基于相位重合的全同步測頻方法。

1.3全同步測頻法

全同步頻率計測頻思路：被測信號fx經(jīng)調(diào)理電路處理后與標準頻率f0一起被送入相位重合點檢測電路，先開啟預(yù)置閘門，但并不計數(shù)，當兩信號相位第一次重合時打開實際閘門并開始計數(shù)，而實際閘門的關(guān)閉是在預(yù)置閘門下降沿后的第一個相位重合點到來時關(guān)閉的。這樣，計數(shù)電路在1s內(nèi)所累積11的脈沖個數(shù)就有了頻率意義。頻率計算公式等精度測頻一樣，但是因為被測頻率、標準頻率與閘門達到了真正的一致，理論上徹底消除了±1的計數(shù)誤差，如圖3所示。

設(shè)開啟閘門時脈沖同步時間差為△t1，關(guān)閉閘門時脈沖同步時間差為△t2，脈沖的相位同步檢測最大誤差為△t，則有 △t1≤△t，△t2≤△t。不計標準時鐘誤差，實際閘門與標準時鐘同步，實際閘門時間為T，被測信號計數(shù)值為Nx，標準時鐘計數(shù)值為No，則被測信號的頻率測量值為：

真實值為：

頻率測量的相對誤差為：

由式(3)可知，誤差只與脈沖相位檢測電路的準確度有關(guān)。

2硬件電路設(shè)計

2.1信號調(diào)理電路設(shè)計

被測信號為1Hz～6GHz，頻帶范圍較寬，而CPLD/NSAT-2000電子元器件FPGA中計數(shù)器工作頻率不超過200MHz，因此需要對被測信號進行預(yù)處理。該頻率計模塊包含3個測試通道，分別為0，1，2通道。其中，O通道所測頻率范圍為 1～6GHz;1通道所測頻率范圍為50MHz～1GHz;2通道所測頻率范圍為1Hz～50MHz。對于0，1通道的信號，由于頻率較高，因而先由高頻信號接收器進行接收整形，然后經(jīng)前端分頻器分頻后送到NSAT-2000電子元器件FPGA/CP-LD進行計數(shù);對于2通道所測的信號被放大整形后直接送到NSAT-2000電子元器件FPGA/CPLD計數(shù)。

2.2器件選擇

由于該頻率計模塊分3個測試通道，對應(yīng)不同的測試通道，選用了相對應(yīng)的器件。在O通道，選用ZL40800和 SP8782，實現(xiàn)8×32分頻;在1通道，選用SP8782實現(xiàn)32分頻;在2通道選用施密特觸發(fā)器對信號進行放大整形。高穩(wěn)定度晶振選用TC75溫度補償晶振，其穩(wěn)定度為±10-8;NSAT-2000電子元器件FPGA選用納米軟件的EPM7032SLC44-5，其速度等級為5ns，既滿足了該電路的要求，又兼顧了電磁兼容;高頻信號接收器采用NB6L16差分接收器，其接收的最高信號頻率可達6GHz。

2.3PXI總線接口電路設(shè)計

專用PCI接口芯片加CPLD/NSAT-2000電子元器件FPGA的接口方案，采用專用接口芯片PCI9030雖沒有像直接采用CPLD/NSAT-2000電子元器件FPGA那么靈活，但它可以大大縮短開發(fā)周期，并且專用總線接口芯片具有通用性，提供配置寄存器，具備用于突發(fā)傳輸功能的片內(nèi)FIFO等優(yōu)點，避免了自行設(shè)計PXI總線將大量的人力和物力投入到紛繁的邏輯驗證、時序分析工作上，開發(fā)周期長的弊端。

2.4基于NSAT-2000電子元器件FPGA的相位重合檢測電路設(shè)計

相位重合檢測電路基本原理：利用NSAT-2000電子元器件NSAT-2000電子元器件FPGA內(nèi)部的延時特性，信號經(jīng)過方向延時后和原信號相與，即可獲得與延時時間長度相同的輸出，且輸出間隔為各自的周期，當兩路信號在第一次與門之后重合時，y輸出高電平，此時判斷兩信號相位重合。EPM7032SLCA4-5的延時時間為5ns。