MSP430在頻率測量系統中的應用

1 概述

在通信系統中，頻率測量具有重要地位。近幾年來(lái)頻率測量技術(shù)所覆蓋的領(lǐng)域越來(lái)越廣泛，測量精度越來(lái)越高，與不同學(xué)科的聯(lián)系也越來(lái)越密切。與頻率測量技術(shù)緊密相連的領(lǐng)域有通信、導航、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器和定時(shí)器完成，將兩個(gè)定時(shí)/計數器一個(gè)設置為定時(shí)器，另一個(gè)設置為計數器，定時(shí)時(shí)間到后產(chǎn)生中斷，在中斷服務(wù)程序中處理結果，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(shí)，盡管在高頻段能達到較高的精度，而低頻段的測量精度較低。所以利用單片機測頻時(shí)，如果選擇不好的測量方法，可能會(huì )引起很大的誤差。測量頻率時(shí)如果不是真正依靠硬件控制計數或定時(shí)，而是由軟件查詢(xún)或中斷響應后再停止計數，雖然理論上能達到很高的精度，但實(shí)際測量中由于單片機響應有一定的時(shí)間延遲，難以做到精確測量。本系統設計以MSP4130單片機為核心，在軟件編程中采用C430語(yǔ)言，采用硬件邏輯和軟件指令相結合的方法，取代單純用軟件指令控制閘門(mén)，使閘門(mén)的開(kāi)啟與計數同步。這種測量方法保證了測量誤差與被測頻率無(wú)關(guān)，實(shí)現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。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而設計的，頻率測量范圍由微擾測濕系統的混頻器輸出范圍確定。

整個(gè)測濕系統如圖1所示，在沒(méi)有濕蒸汽流過(guò)諧振腔時(shí)，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(diǎn)是電壓每變換1 V，將產(chǎn)生1 MHz的頻偏，調整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(shí)時(shí)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、標準晶振、1個(gè)D觸發(fā)器、2個(gè)與非門(mén)、復位電路、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，它內部具有豐富的定時(shí)資源，內含看門(mén)狗定時(shí)器(WDT)和基本定時(shí)器，定時(shí)器A(Timer_A)和定時(shí)器B(Timer_B)結構基本相同，都是16位定時(shí)器。本設計選用定時(shí)器A和定時(shí)器B分別對待測頻率FX和標準頻率F0計數，在預定的閘門(mén)時(shí)間內，如果計數器A的計數值為N1，計數器B的計數值為N0，則待測頻率為：

為了減少誤差，應確保閘門(mén)的開(kāi)啟和關(guān)閉與待測信號同步。單片機的標準頻率為8 MHz，其計數最高可達到8 MHz，(一個(gè)時(shí)鐘周期可以執行一條指令，傳統的MCS51單片機需要12個(gè)時(shí)鐘周期才可執行一條指令)，而測量范圍是0 MHz～10 MHz，故計數時(shí)需要先對計數器分頻，MSP430系列單片機內部定時(shí)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，使設計電路簡(jiǎn)單，并且能達到測量要求。

2.2 系統工作原理

為了實(shí)現高精度、等精度的雙計數頻率測量，計數相關(guān)器是關(guān)鍵，所謂計數相關(guān)器就是使門(mén)信號和待測信號同步。當按下S1、S2、S3三個(gè)按鍵中的任一按鍵時(shí)，與門(mén)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(mén)U2和U3封鎖。與此同時(shí)，軟件指令設置TACTL和TBCTL使定時(shí)器A和定時(shí)器B清零，做好計數準備。單片機的P5.1口和D觸發(fā)器的D端相連.在計數前P5.1口輸出始終為零，這樣計數信號不能通過(guò)與非門(mén)到達計數器，然后用軟件指令向P5.1口寫(xiě)入信號1，當被測信號Fx的第一個(gè)上升沿到達時(shí)，與非門(mén)U2和U3開(kāi)啟，標準信號和待測信號同時(shí)計數。當計數滿(mǎn)時(shí)，TBIFG1置位，產(chǎn)生中斷，在中斷服務(wù)程序中對P5.1口寫(xiě)入“0”信號，做好關(guān)閉閘門(mén)的準備，但這時(shí)閘門(mén)并沒(méi)有真正關(guān)閉，等待被測信號的上升沿到來(lái)，閘門(mén)關(guān)閉，停止計數。由此可知，在整個(gè)計數過(guò)程中，從閘門(mén)開(kāi)啟到閘門(mén)關(guān)閉，實(shí)際閘門(mén)開(kāi)啟時(shí)間是被測信號計數周期的整數倍，避免了由于非整數周期造成的誤差，實(shí)現了閘門(mén)開(kāi)啟和關(guān)閉與待測信號的同步。由于計數器Timer_B至少產(chǎn)生一次中斷才能關(guān)閉閘門(mén)，理論上在此期間基準脈沖數為NB=8×65 536(8為計數器Timer_B的分頻系數)。圖3是等精度實(shí)現原理圖。

2.3 寄存器設置

定時(shí)器基本操作的控制包含在定時(shí)器控制寄存器TACTL和TBCTL中，因此在利用定時(shí)器Timer_A和Timer_B計數之前，必須根據需要設置TACTL和TBCTL，其中SSEL1和SSEL0選擇定時(shí)器輸入分頻器的時(shí)鐘源，ID1和IDO選擇輸入的分頻系數，MC1和MC0位選擇計數模式。TACTL和TBCTL的設置如表1所列。

3 等精度測量的實(shí)現

N1和N0分別為計數器Timer_A和Timer_B記得的數值，F0為標準晶體的頻率，Fx為待測信號的頻率，T閘門(mén)時(shí)間，則：

由于計數器A的計數脈沖與閘門(mén)同步，因而不存在±1的誤差。對于標頻計數器B，由于門(mén)控啟閉的隨機性以及T/TC(TC為標頻信號的周期)之比為非整數，時(shí)間零頭無(wú)法計入，故存在±1的誤差。對(3)式求導，則

故精度為：

由(6)式可知，測得的精度與被測信號無(wú)關(guān)，僅與標準信號和閘門(mén)時(shí)間有關(guān)，故可實(shí)現測量范圍內的等精度測量。而且閘門(mén)時(shí)間越長(cháng)，標準頻率越高，精度也就越高。標準頻率可由穩定度好，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，提高標準信號頻率，可使閘門(mén)寬度縮短，即可提高測試速度。

誤差來(lái)源：

(1) 實(shí)際閘門(mén)對標準頻率的隨機性導致計數值NB的±1誤差是主要誤差。

(2) 時(shí)鐘脈沖產(chǎn)生的標準頻率F0的穩定度產(chǎn)生的測量誤差。時(shí)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(lèi)，其中，溫補晶體振蕩器體積小，開(kāi)機時(shí)間短，穩定度一般在10-7數量級以上。而恒溫晶體振蕩器的穩定度更高，因而相對于量化誤差，標準頻率誤差可以忽略。公式(6)就是在忽略標準頻率誤差的情況下得到的。由于分頻系數為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。

4 CPLD設計

本系統設計采用Altera公司生產(chǎn)的CPLD器件EPM7128實(shí)現其中的邏輯部分。用MAXPLUS+11軟件工具開(kāi)發(fā)，采用Verilog語(yǔ)言編程。設計輸人完成后，進(jìn)行整體的編譯和邏輯仿真，然后進(jìn)行轉換、布局、延時(shí)仿真生成配置文件和下載文件，最后下載至EPM7128器件，實(shí)現其硬件功能。仿真波形如圖4所示，其參數為：beice=8 MHz，biaozhun=50 MHz。結果表明各信號的邏輯功能和時(shí)序配合都達到了期望指標。不同被測頻率的仿真值如表2所列。

5 結束語(yǔ)

本頻率計的設計將MSP430單片機的計數器Timer_A和Timer_B均設置為計數方式，比以往一個(gè)定時(shí)/計數器作定時(shí)器，另一個(gè)定時(shí)/計數器作計數器的方式計數精度要高，并且測量精度與被測信號無(wú)關(guān)，實(shí)現了0 MHz～10 MHz頻率范圍內的等精度測量，智能閘門(mén)控制方式使測量方便、靈活。本頻率測量系統還能實(shí)現更高頻率測量范圍的等精度測量，這時(shí)要根據不同測量系統的要求選擇24位、32位計數器。