測頻原理
本測頻系統(tǒng)中采用的測頻原理是相檢寬帶測頻技術(shù)。在頻率測量中，設(shè)標頻信號為f0，被測信號為fX，則f0=A·fC，fX=B·fC，A、B是兩個互素的正整數(shù)，稱fC為f0和fX的最大公因子頻率 fmax c，其倒數(shù)為兩頻率的最小公倍數(shù)周期Tmin c。如果這兩個信號的周期穩(wěn)定，它們之間的相位差變化也具有周期性，周期即為Tmin c。設(shè)兩信號的初始相位差為0（即初始相位重合），則經(jīng)過N·Tmin c(N為正整數(shù)）之后，它們的相位又會重合。因此，在一個或多個Tmin c內(nèi)對被測信號fX和標頻信號f0分別計數(shù)得NX和N0，則被測信號的頻率可由式fX= f0·NX/ N0得出。在相位重合檢測的測頻電路中，測量的門時信號受單片機設(shè)置的參考門時以及被測信號和標頻信號的相位重合點的共同控制，但實際測量閘門的開啟與閉合同被測信號和標頻信號的相位重合點同步，這樣能夠有效的消除傳統(tǒng)測頻方法中±1個字的誤差。
硬件組成和功能框圖
整個測頻系統(tǒng)由多個功能模塊組成，包括MCU數(shù)據(jù)處理、FPGA及其配置、高頻分頻、信號整形和液晶顯示等，其中FPGA集合了相位重合點檢測、同步閘門產(chǎn)生和定時計數(shù)等功能，主要硬件功能框圖如圖1所示。
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圖1 系統(tǒng)主要硬件功能框圖 |
本測頻系統(tǒng)中FPGA芯片是采用ALTERA公司Cyclone系列的EP1C3T144，該器件采用TPFQ封裝，擁有100個I/O口和2910個邏輯 單元。本系統(tǒng)采用Verilog HDL和BlockDiagram/Schematic相結(jié)合的方法來對各功能模塊進行邏輯描述，然后通過EDA開發(fā)平臺，對設(shè)計文件自動地完成邏輯編 譯、邏輯化簡、綜合及優(yōu)化、邏輯布局布線、邏輯仿真，最后對FPGA芯片進行編程，實現(xiàn)系統(tǒng)的設(shè)計要求。FPGA配置采用了專用配置芯片EPCS1，用 ByteBlaster II對其進行下載編程。
MCU主要實現(xiàn)的功能有32位計數(shù)值的浮點轉(zhuǎn)換及運算、預(yù)置閘門和將測量結(jié)果送至液晶顯示。高頻分頻主要針對 50MHz以上的頻率測量，電路中采用分頻比可編程的微波分頻芯片MB510，最高工作頻率達2.4GHz，它自帶放大整形電路，輸出為ECL電平，應(yīng)用 十分簡單。整形電路前級采用了高速場效應(yīng)管放大，所以對于被測信號的靈敏度很高，可達20mV左右，因此本系統(tǒng)對于電路板的設(shè)計要求是十分嚴格的。
FPGA的模擬仿真
本系統(tǒng)FPGA開發(fā)軟件采用Altera公司開發(fā)的Quartus II 軟件。
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圖2 FPGA中原理圖設(shè)計 |
圖 2為FPGA整體原理圖設(shè)計，其中標頻f0和被測fX經(jīng)過同相點檢測模塊qwen，產(chǎn)生的相位重合點信息見圖3中的輸出out11；sgate信號為 MCU發(fā)出的預(yù)置閘門信號，與產(chǎn)生的同相點信號經(jīng)D觸發(fā)器模塊形成了同步閘門tgate來控制f0和fX的計數(shù)，計數(shù)值經(jīng)總線控制轉(zhuǎn)換后傳送給MCU。
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圖3 QUARTUS Ⅱ波形仿真 |
圖3中，采用的仿真標頻f0為10MHz，fX為9.0001MHz，out11為相位重合點信息的輸出，sgate為預(yù)置閘門，out111為同步閘門輸出，也就是所謂的硬閘門。
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圖4 時序分析 |
通過如圖4所示的模擬時序分析，我們可以看到，如果使用分立元器件，就不可能得到如此優(yōu)越的延時特性。
PCB設(shè)計要點
在 設(shè)計印制板的過程中，需要對電路的抗干擾問題進行詳細的研究。對于檢測電路，尤其是高精度測頻系統(tǒng)，電源部分性能起著舉足輕重的作用。電源一般由220V 交流經(jīng)變壓、整流后獲得，為防止引入交變干擾，我們對其進行屏蔽并加去耦電容處理。即使在整個印制板中的布線完成得都很好，由于電源、地線的考慮不周而引 起的干擾也會使產(chǎn)品的性能下降，有時甚至影響到產(chǎn)品的成功率。所以對電源和地線的布線要認真對待，以保證產(chǎn)品的質(zhì)量。盡量增加電源和地線的寬度，最好是地 線比電源線寬。它們的寬度關(guān)系是：地線＞電源線＞信號線。每個集成電路電源處加一個去耦電容，每個電解電容邊上都要加一個小的高頻旁路電容。
本 系統(tǒng)是由數(shù)字電路和模擬電路混合構(gòu)成的。因此在布線時就需要考慮它們之間互相干擾的問題，特別是地線上的噪聲干擾。數(shù)字電路的頻率高，模擬電路的敏感度 強，對信號線來說，高頻的信號線應(yīng)盡可能遠離敏感的模擬電路器件；對地線來說，整個PCB對外界只有一個結(jié)點，所以必須在PCB內(nèi)部進行處理數(shù)、模共地的 問題，而在板內(nèi)部數(shù)字地和模擬地實際上是分開的，只是在PCB與外界連接的接口處（如插頭等），數(shù)字地與模擬地有一點短接。
MCU軟件流程
本 系統(tǒng)整體功能的實現(xiàn)，大部分由MCU完成。軟件主要完成的功能是初始化后，程序判斷硬件的預(yù)置閘門時間，選擇被測的頻率通道（高/低頻）；FPGA根據(jù)預(yù) 置閘門產(chǎn)生同步閘門開啟計數(shù)器，計數(shù)完成后給MCU送出完成信號，MCU開始分次讀FPGA計數(shù)值存入內(nèi)存單元，讀完后通過浮點運算，計算出頻率值送液晶 顯示。軟件流程圖如圖5所示。
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圖5軟件流程圖 |
總 結(jié)
對本測頻系統(tǒng)進行了大量統(tǒng)計性試驗。選用西安電子科技大學(xué)信息處理研究所提供的高穩(wěn)定度銣原子鐘作為本系統(tǒng)的標頻來測量Agilent 8662頻率合成器的合成頻率，測量結(jié)果如表1所示。
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表1 實驗結(jié)果 |
由 于本系統(tǒng)采用了相檢寬帶測頻技術(shù)，其測量精度達到了目前同領(lǐng)域的較高水平。但是，如果在每個頻率計里都安放原子頻標，產(chǎn)品自身的價格就會大幅度上漲，所以 為了降低成本，使產(chǎn)品普及，采用高穩(wěn)定度的SC切晶體振蕩器替代原子頻標，測量精度雖然有所下降，但是相對于同類產(chǎn)品仍有很大優(yōu)勢，同時價位也比較合理， 所以擁有很大的市場競爭力。
由于測量頻率的儀器功能一般都比較多，所以完善本產(chǎn)品的功能十分必要，可以添加測周、測相位差和與PC的通信等功能，使之向多功能化方向發(fā)展。