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

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基于ARM7的高精度頻率計的設(shè)計

薛巨峰1關(guān)子鈞1劉彬2
東北林業(yè)大學(xué)機電工程學(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的設(shè)計方法。該設(shè)計方法通過捕捉相位之間的重合點，能夠有效消除±1個字的計數(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)，使得頻率計的測量速度和精度比傳統(tǒng)的使用16位單片機設(shè)計的頻率計要高很多。本頻率計最大測量頻率為10MHz。同時本設(shè)計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到10-10量級。為了降低成本，在設(shè)計中選用采用ARM7 芯片內(nèi)部的計數(shù)器以及用簡單的邏輯電路進行設(shè)計。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，因此此頻率計擁有很廣泛的市場前景。

關(guān)鍵詞：相位重合點 頻率計 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，高精度的頻率計得到廣泛的重視與應(yīng)用，比如各大高校和科研院所的實驗室需要用到的頻率計基準(zhǔn)。但是目前能夠滿足高精度測量要求的頻率計結(jié)構(gòu)復(fù)雜而且價格昂貴，因此設(shè)計一款精度高、成本低的頻率計就十分必要了。

直接計數(shù)法是過去經(jīng)常用到的測量頻率的方法。直接計數(shù)法包括兩種測量原理，一種測量原理是在閘門時間T 不變的情況下，對被測頻率進行計數(shù)，通過所計的脈沖數(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被測信號周期內(nèi)對標(biāo)準(zhǔn)頻率進行計數(shù)，通過所計的數(shù)值N0與標(biāo)準(zhǔn)頻率值求出被測頻率。但它們都存在±1個字的計數(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給定的被測信號的周期中對標(biāo)準(zhǔn)頻率和被測頻率同時計數(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際閘門同步，這樣就去除了被測頻率的±1個字的計數(shù)誤差，但標(biāo)準(zhǔn)頻率依然還存在±1個字的計數(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個字的計數(shù)誤差，能夠達到很高的精度，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)信號和被測頻率的相位重合點，使這兩個頻率和實際閘門完全同步，從而消除了標(biāo)準(zhǔn)頻率和被測頻率中的±1個字的計數(shù)誤差，使測量中的精確度能夠達到10-10量級。但傳統(tǒng)頻率計的核心硬件設(shè)計大都使用16位單片機外接級聯(lián)的計數(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：如果對于任意兩個頻率信號和f1 和f2 ，當(dāng)f1= M f0 ，f2= Nf0 ；其中M 和N 這兩個正整數(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 。兩個信號的量化相移分辨率設(shè)為 ，其公式如下：在一個Tp 周期中有M 個f1 的周期或者N 個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Tp 周期中有且只有N 種相位差情況，并且每種情況在一個Tp 周期中各不相同。若按大小表示則為0，，2 ，…，（N-1）。當(dāng)兩個信號相位差十分小時，稱之為相位重合點。相位檢測測頻T?T? T? T?的原理就是捕捉若干個相位重合點，在這些相位重合點之間有完整的整數(shù)倍標(biāo)準(zhǔn)信號和被測信號的周期，以此來設(shè)定實際的閘門時間。這樣就可以消除標(biāo)準(zhǔn)頻率和被測頻率中都存在±1個字的計數(shù)誤差。

2　硬件電路設(shè)計

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(biāo)準(zhǔn)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(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。同時其具有體積小、便于產(chǎn)品設(shè)計的優(yōu)點，因此滿足設(shè)計要求。其中頻率經(jīng)過信號調(diào)理電路的目的是對輸入的信號進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，其中良好的抗干擾能力也是必不可少的。因此本設(shè)計選擇應(yīng)用比較器ADCMP604實現(xiàn)信號調(diào)理功能，將信號整形為方波信號。ADCMP604的延遲時間大約為1.6ns，與被測信號10MHz相比可以忽略不計。與此同時，電路在抑制共模干擾方面決定采用LVDS差分信號輸出來實現(xiàn)。電路圖如圖3所示。其中Vp端接被測信號，Vn端接地，當(dāng)fx 大于0時，Q端輸出為高電平，當(dāng)f小于0時，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 差分信號接收端的匹配電阻R1值為100Ω。

fx 和本身取反延時后相與得到。最后再將兩個脈沖相與得到相位重合點的頻率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)計的高精度頻率計的實際需要，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級流水線技術(shù)，通常在執(zhí)行一條指令時，就對第二條指令進行譯碼并同時對第三條指令進行提取。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。與此同時，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32位可編程定時/計數(shù)器。 LPC2131通過片內(nèi)PLL 可實現(xiàn)60MHz的CPU 工作頻率，不僅滿足設(shè)計要求，降低了成本，而且提高了運算速度，避免引入不必要的誤差。

3　軟件設(shè)計

本文所設(shè)計的系統(tǒng)其軟件是在ADS1.2平臺上用C 語言編寫完成的。并使用EasyJTAG仿真器進行仿真。LPC2131在頻率計中一方面要將計數(shù)器的計數(shù)N0 和Nx 經(jīng)過公式（2）算出被測頻率值，并顯示在LCD上，同時還負責(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)對高精度的頻率計進行了設(shè)計，為了讓實際閘門開閉時間與標(biāo)準(zhǔn)頻率和被測頻率同步，采用了對標(biāo)準(zhǔn)頻率和被測頻率的相位重合點的捕捉，有效地消除了±1個字的計數(shù)誤差，提高了測量準(zhǔn)確度；由于使用了32位ARM7 的芯片。