毛群

（阿壩師范學(xué)院 電子信息與自動化學(xué)院，四川汶川， 623002）

0 引言

頻率測量在信號處理、工程應(yīng)用中隨處可用，常見的頻率測量方法有直接測頻法和周期測頻法以及等精度測頻法。其中直接測頻、周期測頻法的弊端在于測頻誤差要隨待測信號本身頻率變化而變化，使其在工程應(yīng)用中有所限制。而等精度測頻法測量精度高且不會因待測信號頻率變化而發(fā)生變化[1]。

1 等進(jìn)度測頻法原理

等精度測量頻率方法消除誤差的原理是采用被測信號觸發(fā)門控信號，使得實際門控信號周期不再是一個固定值，而剛好是被測信號周期的整數(shù)倍，這樣便消除傳統(tǒng)測量中產(chǎn)生±l的周期誤差，使測頻精度與待測信號頻率無關(guān)，實現(xiàn)待測信號全頻率范圍等精度測量[2]。其時序如圖1所示，設(shè)在閘門時間T內(nèi)，計數(shù)器計數(shù)N個待測時鐘，計數(shù)M個基準(zhǔn)時鐘。

圖1 等精度測頻工作時序圖

在時間T內(nèi)，利用兩個計數(shù)器同步計數(shù)關(guān)系有：

則待測信號頻率為：

2 頻率計系統(tǒng)設(shè)計

數(shù)字頻率計系統(tǒng)由自動增益控制AGC模塊、整形模塊、頻率采集模塊、主控模塊和液晶顯示模塊構(gòu)成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。頻率采集模塊采用FPGA實現(xiàn)，用它設(shè)計等精度測量模塊和SPI通信模塊，對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集后送給單片機(jī)，完成對頻率數(shù)據(jù)的采集和與主模塊通信。主控模塊采用STM32F103C8T6單片機(jī)，其內(nèi)置64K或128K閃存程序儲存器，具有快速處理數(shù)據(jù)、低功耗、價格低廉等優(yōu)點。STM32單片機(jī)接收數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理計算，送LCD液晶顯示。系統(tǒng)前端主要是利用壓控放大器AD603和檢波電路實現(xiàn)信號增益控制，集成施密特觸發(fā)器74HC14電路模塊實現(xiàn)信號整形[3]。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3 核心模塊設(shè)計

■3.1 自動增益控制及整形電路設(shè)計

為適應(yīng)各種頻率、幅度的待測信號fs，頻率計系統(tǒng)設(shè)計了自動增益控制電路（AGC），該模塊主要由程控放大器AD603、高速比較器AD8561、集成放大器OPA690和檢波電路構(gòu)成，如圖3所示。電路基本原理：通過放大信號反饋改變電路放大倍數(shù)，實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)，使放大信號幅度在一定的范圍內(nèi)保持穩(wěn)定[4]。從而控制其增益，使其輸出幅度穩(wěn)定的信號。輸出信號通過如圖4所示共射放大整形電路輸入FPGA。

圖3 自動增益控制電路圖

圖4 整形電路圖

■3.2 等精度測頻模塊電路的FPGA設(shè)計

基于等精度測頻原理，通過Verilog語言編寫代碼，設(shè)計等精度測頻模塊電路，電路如圖5所示，本設(shè)計采用的是FPGA CycloneII-EP2C5T144C8N。脈沖計數(shù)（signal）采用系統(tǒng)時鐘分頻。單片機(jī)發(fā)送清零信號對FPGA計數(shù)器清零，發(fā)啟動信號到FPGA的enable端口。經(jīng)過邏輯判斷后計數(shù)模塊輸出高電平的clken信號到DFF觸發(fā)器輸入D端口，此時觸發(fā)器輸出Q端是低電平，計數(shù)模塊還沒有開始計數(shù)和計時，只有當(dāng)輸入信號出現(xiàn)上升沿時，觸發(fā)器輸出Q端才輸出高電平到計數(shù)模塊的gate_ctr端口（門控信號），計數(shù)模塊在門控信號為高電平時開始對輸入信號和標(biāo)準(zhǔn)時鐘信號計數(shù)。當(dāng)計時到1s時，計數(shù)模塊控制邏輯輸出低電平的clken信號到DFF觸發(fā)器D端口，此時觸發(fā)器輸出Q端還是高電平，計數(shù)模塊還沒停止工作，只有當(dāng)輸入信號出現(xiàn)上升沿時，觸發(fā)器輸出Q端才輸出低電平到計數(shù)模塊的gate_ctr端口。因為計數(shù)器是在輸入信號上升沿開始工作，同樣在輸入信號的上升沿結(jié)束，實現(xiàn)了等精度測頻，沒有脈沖計數(shù)的誤差[5～6]。

圖5 等精度測頻原理的FPGA設(shè)計電路圖

在結(jié)束一次測量后，計數(shù)模塊（freq）輸出finish信號給單片機(jī)，單片機(jī)分時讀取計數(shù)數(shù)據(jù)和計時數(shù)據(jù)，并完成計算處理得出頻率。讀取數(shù)據(jù)需要sel、addr0、addr1控制信號參與，數(shù)據(jù)口(count)是8位，而計數(shù)（計時）32位，可分批讀取，當(dāng)SEL為1時，讀取計數(shù)值，分4次讀??；當(dāng)SEL為0時，讀取計時值，分4次讀取，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。讀取并處理完成數(shù)據(jù)的頻率值后，進(jìn)入下一次測量。下一次測量前，單片機(jī)發(fā)送clr清零信號到FPGA，把上一次的計數(shù)計時數(shù)據(jù)、信號標(biāo)志位等復(fù)位；單片機(jī)發(fā)送啟動信號（低電平）到FPGA的enable端口，開始新一輪測量。

■3.3 FPGA模塊設(shè)計

FPGA除了完成等精度測量電路，還要實現(xiàn)將采集的頻率數(shù)據(jù)與主控單片機(jī)模塊通信，故在FPGA中設(shè)計SPI通信模塊。其工作時序為SCK上升沿數(shù)據(jù)采樣，下降沿輸出數(shù)據(jù)。在SPI通信模塊中先分別捕捉由STM32傳送的SCK信號的上升沿和下降沿，然后SCK上升沿且CS為低電平，F(xiàn)PGA作為從機(jī)逐位讀取STM32主機(jī)發(fā)送的命令數(shù)據(jù)并寄存在rxd_data中，再傳送freq模塊的rxd_command；SCK下降沿且CS為低電平，F(xiàn)PGA從機(jī)通過MISO通道向STM32主機(jī)逐位傳送寄存在txd_Data中的數(shù)據(jù)。采用Verilog語言編程實現(xiàn)的FPGA電路設(shè)計如圖6所示。

圖6 FPGA模塊整體電路圖

■3.4 單片機(jī)主控模塊設(shè)計

單片機(jī)主控與外圍電路連接如圖7所示，本設(shè)計使用STM32F103C8T6單片機(jī)。其中2腳～14腳外接一個LCD液晶顯示，用于顯示測得的信號頻率和周期；21腳～24腳是用于與FPGA通信的四條SPI串線：從設(shè)備片選CS、MISO通道、MOSI通道和時鐘信號SCLK。四條SPI串線控制整個系統(tǒng)：通過SPICS選中FPGA或初始化FPGA，時鐘信號SCLK是由STM32控制，STM32向FPGA發(fā)送數(shù)據(jù)時設(shè)置為高電平，STM32接收FPGA傳回的數(shù)據(jù)時設(shè)置為低電平。MOSI通道用于STM32向FPGA發(fā)送數(shù)據(jù)或者命令，而MISO通道則是用于FPGA向STM32發(fā)送數(shù)據(jù)或者命令，通過這兩個通道，在時鐘信號的相應(yīng)階段，實現(xiàn)STM32和FPGA的通信。

圖7 STM32電路連接圖

STM32主控設(shè)計流程如圖8所示。當(dāng)系統(tǒng)開始運(yùn)行，STM32單片機(jī)初始化I/O端口和LCD液晶顯示后，根據(jù)SPI協(xié)議，通過MOSI端向FPGA發(fā)送初始化命令（其中包括使能清零和數(shù)據(jù)清零），再向FPGA發(fā)送測頻使能信號，控制FPGA開始測頻，F(xiàn)PGA計數(shù)器計數(shù)和定時。單片機(jī)檢測FPGA是否傳送回測頻結(jié)束信號，確定狀態(tài)：如果接收到測頻結(jié)束信號，則從FPGA中讀取測頻數(shù)據(jù)，同時控制FPGA停止測頻，然后對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理得到所測的頻率和周期，并在LCD1602液晶上顯示，再將FPGA初始化，啟動下一次測量。

圖8 STM32單片機(jī)主控流程圖

4 系統(tǒng)測試

由于自動增益控制電路帶寬設(shè)計約為45MHz。系統(tǒng)測試時，在選 擇1Hz～40MHz內(nèi) 選 取100Hz、100kHz、1MHz、10MHz、40MHz頻率點進(jìn)行測試，測量結(jié)果如表1所示。從測量結(jié)果可以看出，所設(shè)計的等精度數(shù)字頻率計系統(tǒng)消除了頻率測量中的±1誤差，在整個測量范圍內(nèi)測量相對誤差都在2×10-4以內(nèi)，系統(tǒng)具有較寬測量范圍和一定精度。

表1 測量結(jié)果

5 結(jié)論

本文設(shè)計的數(shù)字頻率計主要利用FPGA和單片機(jī)設(shè)計，由FPGA采集計數(shù)值，單片機(jī)進(jìn)行頻率值計算和顯示，規(guī)避了FPGA不便于浮點運(yùn)算的不足，有效利用單片機(jī)便于控制及人機(jī)交互的特點。實驗表明，提高系統(tǒng)晶振頻率和精度，可有效保證頻率計的測量精度，該設(shè)計具有潛在的實用價值。