本文介紹一種基于等精度測量的數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)方案，該頻率計(jì)在每個(gè)不同測頻范圍內(nèi)保持精度不變，且對于幅度值較小的高低頻信號能夠準(zhǔn)確測出。采用多通道的放大整形電路，故能在較寬的頻率和幅度范圍內(nèi)對頻率、周期、占空比、兩路信號的時(shí)間間隔等參數(shù)進(jìn)行測量。又結(jié)合STM32單片機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，將基準(zhǔn)頻率提高以獲取更高的測量精度，還增加軟件濾波使測量結(jié)果更為穩(wěn)定。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明其測量精度高，有較高的穩(wěn)定性。

數(shù)字頻率計(jì)引入先進(jìn)的可編程和顯示技術(shù)，在現(xiàn)代的電子設(shè)備中用途廣泛，主要應(yīng)用在科技領(lǐng)域和日常生活居多，與示波器相比，數(shù)字頻率計(jì)測量手段更簡單，測驗(yàn)過程快捷直觀，對于頻率等電參數(shù)的丈量來說，其丈量越來越精確。

另外，經(jīng)常使用兩種方案來進(jìn)行頻率計(jì)的設(shè)計(jì)，一種方案是用單片機(jī)內(nèi)部的計(jì)數(shù)器對待測信號進(jìn)行計(jì)數(shù)，但低頻時(shí)的測量誤差變大，另一種方案是用單片機(jī)自帶的定時(shí)器測量周期，由單片機(jī)讀取計(jì)算值，導(dǎo)致測量高頻時(shí)誤差增大。

一般來說，市場上很多頻率計(jì)都利用頻率計(jì)專用模塊以及數(shù)字集成電路完成制作，首先成本較高，其次是結(jié)構(gòu)繁雜，而用軟件開發(fā)的頻率計(jì)實(shí)用且功能強(qiáng)大。為了保證整個(gè)范圍的測量精度，可以同時(shí)測量周期和單位時(shí)間內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)，這種方法叫M/T法，即等精度測量法，該方法在高頻時(shí)相當(dāng)于M法，低頻時(shí)相當(dāng)于T法。本數(shù)字頻率計(jì)采用等精度測量法，使用CPLD芯片和VHDL語言開發(fā)出測頻系統(tǒng)，選取一個(gè)非常穩(wěn)定的50MHz有源晶體振蕩源，進(jìn)一步倍頻到400MHz作為基準(zhǔn)頻率信號輸入測頻系統(tǒng)，通過在1s的預(yù)置門控時(shí)間內(nèi)對待測信號同步計(jì)數(shù)，算出待測信號的頻率值，其頻率刷新時(shí)間為1s。

1、系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

考慮到輸入的待測信號的幅度值較小且可變，故需要輸入的不同頻率或不同波形進(jìn)行放大整形處理為幅值較高的脈沖信號，使其電平變換可被FPGA所識別。數(shù)字頻率計(jì)的等精度測量過程中運(yùn)用了四則運(yùn)算理論，需要比較大的資源，若只用中小規(guī)模FPGA芯片設(shè)計(jì)難度較大，結(jié)合實(shí)際，選擇單片機(jī)和FPGA相結(jié)合的方式來實(shí)現(xiàn)。

FPGA通過使用不同的硬件描述語言在線編程設(shè)計(jì)出不同的邏輯電路結(jié)構(gòu)，且支持運(yùn)算大量數(shù)據(jù)，工作速度極快，幾乎不存在延時(shí)情況，滿足本設(shè)計(jì)需要。其中單片機(jī)負(fù)責(zé)測量系統(tǒng)的控制、數(shù)據(jù)傳輸處理和更新顯示內(nèi)容；由EP4CE6E22C8N芯片構(gòu)成的FPGA測量系統(tǒng)完成各種測試功能；FPGA獲取鍵盤控制指令，及時(shí)切換測量頻率和周期、測量兩路信號相位差及測量占空比等不同功能；單片機(jī)不斷從FPGA讀取Zxin的測量數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理，然后把測量結(jié)果拆字送到顯示屏LCD12864顯示；由單片機(jī)進(jìn)行顯示屏的并口傳輸控制。

1.1單片機(jī)主控器硬件電路

考慮到STM32單片機(jī)方便GX的開發(fā)環(huán)境使操作更加簡便，運(yùn)算速率快、工作頻率高、功耗小等優(yōu)點(diǎn)，選擇了STM32F103RBT6作為主控制器的芯片。

1.2整形放大硬件電路

高速運(yùn)算放大器可以實(shí)現(xiàn)高頻率小信號放大，但是增益帶寬有限。然而，高頻小信號放大器采用分立元件設(shè)計(jì)思路時(shí)，針對線路的設(shè)計(jì)要求簡單，而且單個(gè)晶體管工作效率很高，能有效減少電路噪聲，放大器也有很寬的頻帶范圍。于是選擇低噪聲的分立元件來實(shí)現(xiàn)低頻和高頻放大，選用高頻三極管NPN9018設(shè)計(jì)了寬帶通道放大器更加適合高頻率小信號放大。

由于測量通道采集的是模擬量信號，容易受到干擾而帶來誤差，所以采取獨(dú)立電源供電方式.另引入RC濾波電路吸收外界脈沖干擾，進(jìn)一步增加低噪聲前置放大器使得微弱信號不至于被電路噪聲湮沒。寬帶通道放大器功能是將高頻小信號或低頻小信號的正弦波轉(zhuǎn)換成方波。采用低頻三極管NPN9014設(shè)計(jì)低頻小信號放大電路。采用斯密特觸發(fā)器構(gòu)成整形電路，使輸出波形的整形效果穩(wěn)定可靠。分別設(shè)計(jì)了兩個(gè)低頻小信號的測量通道和兩個(gè)高頻小信號的測量通道，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，輸入的毫伏級信號，經(jīng)過高頻或低頻三極管前置放大后再經(jīng)過共射電路二級放大，Z后由SN74lVC1G14斯密特觸發(fā)器整形輸出可被識別的脈沖波。

2、軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

傳統(tǒng)的直接測量法無法同時(shí)滿足高低頻信號的測量要求，設(shè)計(jì)起來比較復(fù)雜，測量結(jié)果的相對誤差較大。而使用等精度測量法在量程范圍內(nèi)可以確保高精度、誤差率一致。

3、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

測量的正弦波、方波和矩形波信號的峰峰值電壓范圍均為0.15～1V，正弦波的頻率測量范圍為1～10000000Hz，方波和矩形波的測量范圍為1～1000000Hz。

4、結(jié)語

本數(shù)字頻率計(jì)與其他頻率計(jì)相比，整個(gè)測量系統(tǒng)采用分別針對高低頻的輸入信號各自設(shè)置有兩個(gè)測量通道供用戶選擇的設(shè)計(jì)思路，測量精度高、測量量程寬、測量多功能等。其中，STM32微處理器可以控制測量模式的切換以及內(nèi)容的顯示。另外，F(xiàn)PGA測量系統(tǒng)采用等精度測量方法將測量誤差轉(zhuǎn)移到標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘源計(jì)數(shù)的±1減少誤差，并將經(jīng)過放大整形的被測信號運(yùn)算后送往STM32單片機(jī)處理。其可擴(kuò)展范圍較廣，只需要更改控制芯片、有源晶振、放大整形電路的相關(guān)參數(shù)，就可以在測量控制、資源勘探、電子信息等領(lǐng)域進(jìn)行推廣，應(yīng)用前景可觀，具有較高的實(shí)用價(jià)值。