薛巨峰關(guān)子鈞劉彬東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院哈爾濱鐵路局物資管理處

?

基于ARM7的高精度頻率計(jì)的設(shè)計(jì)

薛巨峰1關(guān)子鈞1劉彬2
東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院1哈爾濱鐵路局物資管理處2

摘要：文章通過對(duì)相位重合檢測技術(shù)的分析，提出了基于此理論并用ARM7 作為主控芯片的高精度頻率計(jì)的設(shè)計(jì)方法。該設(shè)計(jì)方法通過捕捉相位之間的重合點(diǎn)，能夠有效消除±1個(gè)字的計(jì)數(shù)誤差。在此基礎(chǔ)上由于ARM7 具有32位的處理器內(nèi)核以及流水線技術(shù)，使得頻率計(jì)的測量速度和精度比傳統(tǒng)的使用16位單片機(jī)設(shè)計(jì)的頻率計(jì)要高很多。本頻率計(jì)最大測量頻率為10MHz。同時(shí)本設(shè)計(jì)采用安捷倫公司生產(chǎn)的恒溫晶振10811A作為標(biāo)準(zhǔn)頻率，能夠有效保證測量精度能夠達(dá)到10-10量級(jí)。為了降低成本，在設(shè)計(jì)中選用采用ARM7 芯片內(nèi)部的計(jì)數(shù)器以及用簡單的邏輯電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于其測量精度要超過多周期同步測量法，而成本又比模擬內(nèi)插法和游標(biāo)法低很多，因此此頻率計(jì)擁有很廣泛的市場前景。

關(guān)鍵詞：相位重合點(diǎn) 頻率計(jì) ARM

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表示。近年來隨著現(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)法是過去經(jīng)常用到的測量頻率的方法。直接計(jì)數(shù)法包括兩種測量原理，一種測量原理是在閘門時(shí)間T 不變的情況下，對(duì)被測頻率進(jìn)行計(jì)數(shù)，通過所計(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)被測信號(hào)周期內(nèi)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)頻率進(jìn)行計(jì)數(shù)，通過所計(jì)的數(shù)值N0與標(biāo)準(zhǔn)頻率值求出被測頻率。但它們都存在±1個(gè)字的計(jì)數(shù)誤差。測量精度低。其次是多周期同步測量法，此方法又叫作倒數(shù)計(jì)數(shù)器法。它是目前頻率測量中應(yīng)用最為廣泛的測頻方法。

多周期同步測量法的測量原理是在若干個(gè)給定的被測信號(hào)的周期中對(duì)標(biāo)準(zhǔn)頻率和被測頻率同時(shí)計(jì)數(shù)，根據(jù)所測得數(shù)值求出被測頻率。它讓不同的被測頻率與實(shí)際閘門同步，這樣就去除了被測頻率的±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游標(biāo)振蕩器和內(nèi)插器來減小±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。

本文利用相位檢測技術(shù)，通過捕捉標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)和被測頻率的相位重合點(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)頻率和被測頻率中的±1個(gè)字的計(jì)數(shù)誤差，使測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，無法保證測量精度，而且處理測量數(shù)據(jù)速度過慢，在當(dāng)今科研工作中已經(jīng)無法達(dá)到科研人員的科研要求。本文在此基礎(chǔ)上通過選用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)和測量數(shù)據(jù)處理的速度。

1　相頻檢測法原理及誤差分析

在相位檢測法頻率測量中有一個(gè)重要的概念就是最大公因子頻率fp。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0，，2 ，…，（N-1）。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)。相位檢測測頻T?T? T? T?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)和被測信號(hào)的周期，以此來設(shè)定實(shí)際的閘門時(shí)間。這樣就可以消除標(biāo)準(zhǔn)頻率和被測頻率中都存在±1個(gè)字的計(jì)數(shù)誤差。

2　硬件電路設(shè)計(jì)

由于被測信號(hào)要求最大測量頻率為10MHz ，測量精度達(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)輸出來實(shí)現(xiàn)。電路圖如圖3所示。其中Vp端接被測信號(hào)，Vn端接地，當(dāng)fx 大于0時(shí)，Q端輸出為高電平，當(dāng)f小于0時(shí)，Q 端輸出為低電平。Q 和Q 是LV D S 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。

fx 和本身取反延時(shí)后相與得到。最后再將兩個(gè)脈沖相與得到相位重合點(diǎn)的頻率fp。在主控芯片中，本文選用了由PHILIPS 公司生產(chǎn)的基于ARM7TDMI-S內(nèi)核的32位微處理器LPC2131。由于本文設(shè)計(jì)的高精度頻率計(jì)的實(shí)際需要，需要盡可能減小測量誤差，因此低功耗就成為選擇芯片的主要指標(biāo)。本芯片采用馮 諾依曼結(jié)構(gòu)，具有高性能和低功耗的特性，ARM7TDMI-S還使用了3級(jí)流水線技術(shù)，通常在執(zhí)行一條指令時(shí)，就對(duì)第二條指令進(jìn)行譯碼并同時(shí)對(duì)第三條指令進(jìn)行提取。這極大地提高了測量速度，使高精度測量能夠更加快速和準(zhǔn)確。其中LPC2131 產(chǎn)生的PWM脈沖作為參考閘門信號(hào)。與此同時(shí)，為了保證電路的穩(wěn)定性和降低成本，精簡了核心電路的組成，此方案利用ARM控制芯片LPC2131 中兩個(gè)32位可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器。 LPC2131通過片內(nèi)PLL 可實(shí)現(xiàn)60MHz的CPU 工作頻率，不僅滿足設(shè)計(jì)要求，降低了成本，而且提高了運(yùn)算速度，避免引入不必要的誤差。

3　軟件設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)其軟件是在ADS1.2平臺(tái)上用C 語言編寫完成的。并使用EasyJTAG仿真器進(jìn)行仿真。LPC2131在頻率計(jì)中一方面要將計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)N0 和Nx 經(jīng)過公式（2）算出被測頻率值，并顯示在LCD上，同時(shí)還負(fù)責(zé)外部面板的按鍵功能。

4　結(jié)束語

本文選用32位ARM7 的芯片作為核心的主控芯片，并利用相位重合檢測技術(shù)對(duì)高精度的頻率計(jì)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，為了讓實(shí)際閘門開閉時(shí)間與標(biāo)準(zhǔn)頻率和被測頻率同步，采用了對(duì)標(biāo)準(zhǔn)頻率和被測頻率的相位重合點(diǎn)的捕捉，有效地消除了±1個(gè)字的計(jì)數(shù)誤差，提高了測量準(zhǔn)確度；由于使用了32位ARM7 的芯片。