基于A(yíng)RM7的高精度頻率計的設計

0 引言

頻率是人們工作和生活當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(lái)表示。近年來(lái)隨著(zhù)現代工業(yè)的發(fā)展，高精度的頻率計得到廣泛的重視與應用，比如各大高校和科研院所的實(shí)驗室需要用到的頻率計基準。但是目前能夠滿(mǎn)足高精度測量要求的頻率計結構復雜而且價(jià)格昂貴，因此設計一款精度高、成本低的頻率計就十分必要了。

直接計數法是過(guò)去經(jīng)常用到的測量頻率的方法。直接計數法包括兩種測量原理，一種測量原理是在閘門(mén)時(shí)間T不變的情況下，對被測頻率進(jìn)行計數，通過(guò)所計的脈沖數N與T的比值求出相應的頻率值;另一種原理是在給定的一個(gè)被測信號周期內對標準頻率進(jìn)行計數，通過(guò)所計的數值N0與標準頻率值求出被測頻率。但它們都存在±1個(gè)字的計數誤差。測量精度低。其次是多周期同步測量法，此方法又叫作倒數計數器法。它是目前頻率測量中應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)給定的被測信號的周期中對標準頻率和被測頻率同時(shí)計數，根據所測得數值求出被測頻率。它讓不同的被測頻率與實(shí)際閘門(mén)同步，這樣就去除了被測頻率的±1個(gè)字的計數誤差，但標準頻率依然還存在±1個(gè)字的計數誤差。此外還有游標法和模擬內插法，這兩種方法分別通過(guò)游標振蕩器和內插器來(lái)減小±1個(gè)字的計數誤差，能夠達到很高的精度，但是儀器結構復雜而且成本很高。

本文利用相位檢測技術(shù)，通過(guò)捕捉標準信號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(mén)完全同步，從而消除了標準頻率和被測頻率中的±1個(gè)字的計數誤差，使測量中的精確度能夠達到10-10量級。但傳統頻率計的核心硬件設計大都使用16位單片機外接級聯(lián)的計數器，這樣不僅使電路復雜，引入不必要的誤差，無(wú)法保證測量精度，而且處理測量數據速度過(guò)慢，在當今科研工作中已經(jīng)無(wú)法達到科研人員的科研要求。本文在此基礎上通過(guò)選用32位處理器ARM7作為主控芯片，比傳統的16位單片機提高了控制系統和測量數據處理的速度。

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。它的倒數為最小公倍數周期Tp。最大公因子頻率的定義為：如果對于任意兩個(gè)頻率信號和f1和f2，當f1=M f0，f2=Nf0;其中M和N這兩個(gè)正整數沒(méi)有公共的約數，那么f0就是f1和f2之間的最大公因子頻率fp。兩個(gè)信號的量化相移分辨率設為，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

。當兩個(gè)信號相位差十分小時(shí)，稱(chēng)之為相位重合點(diǎn)。相位檢測測頻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)之間有完整的整數倍標準信號和被測信號的周期，以此來(lái)設定實(shí)際的閘門(mén)時(shí)間。這樣就可以消除標準頻率和被測頻率中都存在±1個(gè)字的計數誤差。圖1為實(shí)際閘門(mén)生成的原理圖。

從圖1可以看出，當參考閘門(mén)打開(kāi)之后，首個(gè)相位重合點(diǎn)到來(lái)時(shí)，實(shí)際閘門(mén)開(kāi)始計數，當參考閘門(mén)閉合后首個(gè)相位重合點(diǎn)到來(lái)時(shí)，實(shí)際閘門(mén)閉合停止計數。當實(shí)際閘門(mén)開(kāi)啟時(shí)，計數器開(kāi)始分別對標準頻率和被測頻率計數，假設標準信號脈沖個(gè)數為N0，被測信號脈沖個(gè)數為Nx，那么被測信號頻率值為：

因為δQ要遠遠小于Tx和T0，所以此方法能夠獲得相當高的測量精確度。在多周期同步測量中的相對誤差與式(6)相同。其中的δN0=±1而δNx=0，所以此倒數計數器法在省略標準頻率的影響下測量相對誤差為：

由式(11)可知，被測信號的相對誤差由標準信號的周期的±1倍所引起。因此將被測頻率與標準頻率同時(shí)同步后測量的值要更精準。

2 硬件電路設計

圖2為相檢頻率計的整體框圖。由于被測信號要求最大測量頻率為10MHz，測量精度達到10-10量級，因此標準信號頻率精度要至少達到10-11量級?；诖吮疚倪x用安捷倫公司生產(chǎn)的恒溫晶振10811A作為標準頻率的輸出設備，其最大輸出頻率為10MHz，準確度優(yōu)于10-11。同時(shí)其具有體積小、便于產(chǎn)品設計的優(yōu)點(diǎn)，因此滿(mǎn)足設計要求。

其中頻率經(jīng)過(guò)信號調理電路的目的是對輸入的信號進(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，以及能夠調理各種波形的周期性信號，其中良好的抗干擾能力也是必不可少的。因此本設計選擇應用比較器ADCMP604實(shí)現信號調理功能，將信號整形為方波信號。ADCMP604的延遲時(shí)間大約為1.6ns，與被測信號10MHz相比可以忽略不計。與此同時(shí)，電路在抑制共模干擾方面決定采用LVDS差分信號輸出來(lái)實(shí)現。電路圖如圖3所示。其中Vp端接被測信號，Vn端接地，當fx大于0時(shí)，Q端輸出為高電平，當fx小于0時(shí)，Q端輸出為低電平。

和Q是LVDS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(mén)限的穩定。LVDS差分信號接收端的匹配電阻R1值為100Ω。

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