基于DSP的數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì)

隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展, 各種電子測(cè)量?jī)x器在原理、功能、精度及自動(dòng)化水平等方面都發(fā)生了巨大的變化, 特別是DSP技術(shù)誕生以后，電子測(cè)量技術(shù)更是邁進(jìn)了一個(gè)全新的時(shí)代。近年來(lái)，DSP逐漸成為各種電子器件的基礎(chǔ)器件，逐漸成為21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ某?yáng)行業(yè)，甚至被譽(yù)為信息化數(shù)字化時(shí)代革命旗手。在電子測(cè)量技術(shù)中，頻率是最基本的參數(shù)之一，它與許多電參量和非電量的測(cè)量都有著十分密切的關(guān)系。例如，許多傳感器就是將一些非電量轉(zhuǎn)換成頻率來(lái)進(jìn)行測(cè)量的，因此頻率的測(cè)量就顯得更為重要。數(shù)字頻率計(jì)是用數(shù)字來(lái)顯示被測(cè)信號(hào)頻率的儀器，被測(cè)信號(hào)可以是正弦波、方波或其它周期性變化的信號(hào)。

　　數(shù)字頻率計(jì)廣泛采用了高速集成電路和大規(guī)模集成電路，使得儀器的體積更小、耗電更少、精度和可靠性更高。而傳統(tǒng)的頻率計(jì)測(cè)量誤差較大，范圍也較窄，因此逐漸被新型的數(shù)字頻率計(jì)所代替。基于DSP的等精度頻率計(jì)以其測(cè)量準(zhǔn)確、精度高、方便、價(jià)格便宜等優(yōu)勢(shì)將得到廣泛的應(yīng)用。

　　我們設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)易數(shù)字頻率計(jì)在未采用任何門控器件控制的情況下，在很寬的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了等精度頻率測(cè)量，0.5Hz~10MHz的范圍內(nèi)測(cè)量方波的最大相對(duì)誤差小于2e-6，測(cè)量正弦波的最大相對(duì)誤差小于3.5e-5；結(jié)果通過(guò)RS232通訊顯示在計(jì)算機(jī)上，可以很方便地監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

　　方案設(shè)計(jì)

　　總體介紹

　　傳統(tǒng)的等精度測(cè)頻法使用門控器件產(chǎn)生門控信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)際門閘信號(hào)與被測(cè)信號(hào)同步，消除對(duì)被測(cè)信號(hào)計(jì)數(shù)產(chǎn)生的一個(gè)脈沖的誤差，其原理圖如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)的等精度測(cè)量原理

　　由硬件控制計(jì)數(shù)的門閘時(shí)間，當(dāng)預(yù)置們信號(hào)(即定閘門信號(hào))為高電平時(shí)，基準(zhǔn)信號(hào)計(jì)數(shù)器CNT1和被測(cè)信號(hào)計(jì)數(shù)器CNT2并不啟動(dòng)，而是等被測(cè)信號(hào)的上升沿來(lái)到時(shí)才同時(shí)開始計(jì)數(shù)；當(dāng)預(yù)置們信號(hào)為低電平時(shí)，兩個(gè)計(jì)數(shù)器并不馬上關(guān)閉，同樣要等到被測(cè)信號(hào)上升沿來(lái)到后再關(guān)閉；于是，實(shí)際閘門時(shí)間就是被測(cè)信號(hào)周期的整數(shù)倍，從而實(shí)現(xiàn)了閘門與被測(cè)信號(hào)的同步。但是，實(shí)際的門閘時(shí)間并不固定，與被測(cè)信號(hào)的頻率有關(guān)。此外，無(wú)論是采用計(jì)數(shù)器還是單片機(jī)，在實(shí)現(xiàn)等精度測(cè)量時(shí)總是離不開門控器件。

　　本設(shè)計(jì)基于DSP豐富的軟件資源，經(jīng)過(guò)判斷和處理，完成了對(duì)被測(cè)信號(hào)頻率的等精度測(cè)量。硬件上無(wú)需任何門控器件，簡(jiǎn)化了電路。系統(tǒng)框圖如圖2所示，信號(hào)處理部分以TMS320F2812 DSP芯片作為控制和測(cè)量的核心；信號(hào)調(diào)理部分主要是完成對(duì)信號(hào)的放大、整形和限幅；標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)由30MHz有源晶振產(chǎn)生，作為高頻標(biāo)準(zhǔn)填充脈沖；通過(guò)DSP的SCI模塊與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)通信，結(jié)果顯示在上位機(jī)上。

圖2 系統(tǒng)框圖

　　頻率/周期測(cè)量
　　在對(duì)被測(cè)信號(hào)頻率和周期的測(cè)量中，等精度測(cè)量是基于DSP比較匹配時(shí)T1PWM引腳輸出電平的跳變作為門閘信號(hào)的開啟和關(guān)閉，由于比較匹配發(fā)生在被測(cè)信號(hào)的上升沿，從而實(shí)現(xiàn)了門閘時(shí)間與被測(cè)信號(hào)的同步。原理圖如圖3所示。

圖3 本等精度頻率測(cè)量原理

　　通用定時(shí)器T1時(shí)鐘輸入選擇外部定時(shí)器時(shí)鐘，此處用調(diào)理后的被測(cè)信號(hào)作為定時(shí)器T1的時(shí)鐘輸入，定時(shí)器T2時(shí)鐘輸入選擇內(nèi)部CPU時(shí)鐘，用來(lái)產(chǎn)生高頻標(biāo)準(zhǔn)填充脈沖。F2812片上EVA中通用定時(shí)器T1在發(fā)生比較匹配事件時(shí)，其比較輸出引腳T1CMP輸出信號(hào)會(huì)自動(dòng)改變電平狀態(tài)，產(chǎn)生PWM波。捕獲單元CAP1設(shè)置為上升沿捕獲，T1PWM輸出的PWM波上升沿被CAP1捕獲到，讀取此時(shí)定時(shí)器T2的計(jì)數(shù)值，同理在下一次比較匹配時(shí)再次讀取定時(shí)器T2的計(jì)數(shù)值。通過(guò)兩次T2CNT值的相減，即可獲得該門閘時(shí)間內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)填充脈沖的個(gè)數(shù)，然后求出被測(cè)信號(hào)頻率。

　　基于DSP比較匹配時(shí)T1PWM引腳輸出電平的跳變作為門閘信號(hào)的開啟和關(guān)閉，由于比較匹配發(fā)生在被測(cè)信號(hào)的上升沿，從而實(shí)現(xiàn)了門閘時(shí)間與被測(cè)信號(hào)的同步。兩個(gè)相鄰的比較匹配產(chǎn)生的PWM波的上升沿分別作為門閘信號(hào)的開啟和關(guān)閉信號(hào)，其中被測(cè)信號(hào)的個(gè)數(shù)為整數(shù)，并且是由我們自己任意設(shè)定的。定時(shí)器T2時(shí)鐘輸入選擇內(nèi)部CPU時(shí)鐘，用來(lái)產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)填充脈沖。設(shè)定捕獲單元CAP1為上升沿捕獲，當(dāng)其捕獲到上升沿時(shí)讀取堆棧CAPFIFO內(nèi)的值，在下一次捕獲到時(shí)再讀堆棧內(nèi)的值，計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)填充脈沖的個(gè)數(shù)Ny，保證Ny的個(gè)數(shù)不小于一定的值，即可保證門閘時(shí)間大于一定的值。假設(shè)現(xiàn)在希望一個(gè)門閘時(shí)間內(nèi)高頻填充脈沖的總數(shù)不小于n，當(dāng)Ny>n時(shí)，就增大定時(shí)器T1的定時(shí)周期，即增大定時(shí)器T1周期寄存器TIPR的值。存在公式T1PR+1=n/Ny，由于n/Ny不一定為整數(shù)，假an/Nya+1(a為整數(shù))，則取n/Ny=a+1，表現(xiàn)在被測(cè)信號(hào)上，則與傳統(tǒng)的用硬件控制一樣，用下一個(gè)被測(cè)信號(hào)的上升沿作為門閘信號(hào)的關(guān)閉信號(hào)，只不過(guò)該上升沿發(fā)生在下一次的比較匹配時(shí)。然后，再在該門閘時(shí)間內(nèi)讀取高頻填充脈沖的個(gè)數(shù)，有Ny≥n，從而得出高精度的被測(cè)信號(hào)頻率。在本設(shè)計(jì)中，定時(shí)器T1并不關(guān)閉，前一門閘時(shí)間的關(guān)閉信號(hào)同時(shí)作為下一門閘信號(hào)的開啟信號(hào)。

　　周期測(cè)量與頻率測(cè)量的基本原理完全相同，測(cè)出信號(hào)頻率，根據(jù)公T=1/f即可得出被測(cè)信號(hào)的周期。

　　誤差分析
　　定時(shí)器T1計(jì)數(shù)的啟停時(shí)間都是由該信號(hào)的上升沿觸發(fā)的，在一次測(cè)量時(shí)間內(nèi)對(duì)被測(cè)信號(hào)的計(jì)數(shù)無(wú)誤差；在此時(shí)間內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)頻率脈沖的計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)Ny，最多相差一個(gè)脈沖，故理論誤差為：

　　|d|≤1/Ny

　　顯然，測(cè)量精度僅僅與Ny有關(guān)，只要Ny值足夠大，就能保證精度。

　　硬件設(shè)計(jì)

　　如圖4所示，將被測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)高速運(yùn)放OPA2690進(jìn)行放大，在經(jīng)過(guò)高速比較器TL3016進(jìn)行整形[3]，由于比較器在對(duì)低頻正弦波信號(hào)進(jìn)行整形時(shí)，輸出波形的邊沿有比較嚴(yán)重的抖動(dòng)，影響測(cè)量。解決辦法是對(duì)比較器加入正反饋，加速信號(hào)邊沿，同時(shí)形成滯環(huán)，可有效消除抖動(dòng)。整形后的信號(hào)經(jīng)過(guò)高速施密特觸發(fā)SN74LVC1G14進(jìn)行限幅和進(jìn)一步整形。測(cè)量部分主要使用DSP2812芯片上定時(shí)器T1的時(shí)鐘輸入引腳TCLKINA、定時(shí)器T1的比較輸出引腳T1PWM和捕獲單元CAP1的輸入引腳CAP1，即可完成頻率測(cè)量。通訊部分選擇MAX3221作為RS-232電平轉(zhuǎn)換器件，通過(guò)9芯標(biāo)準(zhǔn)RS-232口與上位機(jī)進(jìn)行串行通信。主要使用了DSP的串行通信發(fā)送引腳SCIRXD和串行通信接收引腳SCITXD。

圖4 硬件電路連接圖