1、概述

在通信系統中，頻率測量具有重要地位。近幾年來頻率測量技術所覆蓋的領域越來越廣泛，測量精度越來越高，與不同學科的聯系也越來越密切。與頻率測量技術緊密相連的領域有通信、導航、空間科學、儀器儀表、材料科學、計量技術、電子技術、天文學、物理學和生物化學等。

頻率測量一般都是由計數器和定時器完成，將兩個定時／計數器一個設置為定時器，另一個設置為計數器，定時時間到后產生中斷，在中斷服務程序中處理結果，求出頻率。這種方法雖然測量范圍較寬，但由于存在軟件延時，盡管在高頻段能達到較高的精度，而低頻段的測量精度較低。所以利用單片機測頻時，如果選擇不好的測量方法，可能會引起很大的誤差。測量頻率時如果不是真正依靠硬件控制計數或定時，而是由軟件查詢或中斷響應后再停止計數，雖然理論上能達到很高的精度，但實際測量中由于單片機響應有一定的時間延遲，難以做到精確測量。本系統設計以MSP4130單片機為核心，在軟件編程中采用C430語言，采用硬件邏輯和軟件指令相結合的方法，取代單純用軟件指令控制閘門，使閘門的開啟與計數同步。這種測量方法保證了測量誤差與被測頻率無關，實現了高低頻段的等精度測量。

2、工作原理

頻率是微波儀器的重要參數。微波頻率測量是檢測儀器是否正常運行的有效手段，而提高頻率測量精度是微波頻率測量可靠性的保證。

本頻率計主要是針對微波微擾法單腔測濕系統而設計的，頻率測量范圍由微擾測濕系統的混頻器輸出范圍確定。

整個測濕系統如圖1所示，在沒有濕蒸汽流過諧振腔時，其諧振頻率為9.6 GHz，此頻率較高，一般不能直接測量，而是采用混頻的方法。輸入壓控振蕩器（VCO）的電壓范圍為0 V～10 V，其工作特點是電壓每變換1 V，將產生1 MHz的頻偏，調整VCO的中心頻率為9.6 GHz，則壓控振蕩器VCO的輸出頻率范圍為9 600 GHz～9 610 GHz。再設置本地振蕩器頻率為9.6 GHz，經混頻后對0 MHz～10MHz的差頻信號進行實時測量。因此，頻率計的頻率范圍為0 MHz～10 MHz。

2.1 頻率計原理

等精度頻率計的硬件邏輯原理圖如圖2所示，主要由MSP430單片機、標準晶振、1個D觸發器、2個與非門、復位電路、顯示電路等組成。其中MSP430單片機是由德州儀器公司推出的16位超低功耗高性能產品，它內部具有豐富的定時資源，內含看門狗定時器（WDT）和基本定時器，定時器A（Timer_A）和定時器B（Timer_B）結構基本相同，都是16位定時器。本設計選用定時器A和定時器B分別對待測頻率FX和標準頻率F0計數，在預定的閘門時間內，如果計數器A的計數值為N1，計數器B的計數值為N0，則待測頻率為：

為了減少誤差，應確保閘門的開啟和關閉與待測信號同步。單片機的標準頻率為8 MHz，其計數最高可達到8 MHz，（一個時鐘周期可以執行一條指令，傳統的MCS51單片機需要12個時鐘周期才可執行一條指令），而測量范圍是0 MHz～10 MHz，故計數時需要先對計數器分頻，MSP430系列單片機內部定時器Timer_ A和Timer_ B自帶分頻器，可以對所測頻率進行1、2、4、8分頻，使設計電路簡單，并且能達到測量要求。

2.2 系統工作原理

為了實現高精度、等精度的雙計數頻率測量，計數相關器是關鍵，所謂計數相關器就是使門信號和待測信號同步。當按下S1、S2、S3三個按鍵中的任一按鍵時，與門U1（圖2中未給出）輸出0信號使D觸發器清零，Q端輸出0信號使與非門U2和U3封鎖。與此同時，軟件指令設置TACTL和TBCTL使定時器A和定時器B清零，做好計數準備。單片機的P5.1口和D觸發器的D端相連．在計數前P5.1口輸出始終為零，這樣計數信號不能通過與非門到達計數器，然后用軟件指令向P5.1口寫入信號1，當被測信號Fx的第一個上升沿到達時，與非門U2和U3開啟，標準信號和待測信號同時計數。當計數滿時，TBIFG1置位，產生中斷，在中斷服務程序中對P5.1口寫入“0”信號，做好關閉閘門的準備，但這時閘門并沒有真正關閉，等待被測信號的上升沿到來，閘門關閉，停止計數。由此可知，在整個計數過程中，從閘門開啟到閘門關閉，實際閘門開啟時間是被測信號計數周期的整數倍，避免了由于非整數周期造成的誤差，實現了閘門開啟和關閉與待測信號的同步。由于計數器Timer_B至少產生一次中斷才能關閉閘門，理論上在此期間基準脈沖數為NB=8×65 536（8為計數器Timer_B的分頻系數）。圖3是等精度實現原理圖。

2.3 寄存器設置

定時器基本操作的控制包含在定時器控制寄存器TACTL和TBCTL中，因此在利用定時器Timer_A和Timer_B計數之前，必須根據需要設置TACTL和TBCTL，其中SSEL1和SSEL0選擇定時器輸入分頻器的時鐘源，ID1和IDO選擇輸入的分頻系數，MC1和MC0位選擇計數模式。TACTL和TBCTL的設置如表1所列。

3 等精度測量的實現

N1和N0分別為計數器Timer_A和Timer_B記得的數值，F0為標準晶體的頻率，Fx為待測信號的頻率，T閘門時間，則：

由于計數器A的計數脈沖與閘門同步，因而不存在±1的誤差。對于標頻計數器B，由于門控啟閉的隨機性以及T／TC（TC為標頻信號的周期）之比為非整數，時間零頭無法計入，故存在±1的誤差。對（3）式求導，則

故精度為：

由（6）式可知，測得的精度與被測信號無關，僅與標準信號和閘門時間有關，故可實現測量范圍內的等精度測量。而且閘門時間越長，標準頻率越高，精度也就越高。標準頻率可由穩定度好，精度高的高頻率晶體振蕩器產生，在保證測量精度不變的前提下，提高標準信號頻率，可使閘門寬度縮短，即可提高測試速度。

誤差來源：

（1） 實際閘門對標準頻率的隨機性導致計數值NB的±1誤差是主要誤差。

（2） 時鐘脈沖產生的標準頻率F0的穩定度產生的測量誤差。時鐘脈沖由晶體振蕩器產生。由于目前晶體振蕩器主要分為溫補晶體振蕩器和恒溫晶體振蕩器兩大類，其中，溫補晶體振蕩器體積小，開機時間短，穩定度一般在10-7數量級以上。而恒溫晶體振蕩器的穩定度更高，因而相對于量化誤差，標準頻率誤差可以忽略。公式（6）就是在忽略標準頻率誤差的情況下得到的。由于分頻系數為8，則測頻精度為1／（8×65 536）=1.907e-6。若要進一步提高頻率測量的精度則可以增加分頻系數。

4、CPLD設計

本系統設計采用Altera公司生產的CPLD器件EPM7128實現其中的邏輯部分。用MAXPLUS+11軟件工具開發，采用Verilog語言編程。設計輸人完成后，進行整體的編譯和邏輯仿真，然后進行轉換、布局、延時仿真生成配置文件和下載文件，最后下載至EPM7128器件，實現其硬件功能。仿真波形如圖4所示，其參數為：beice=8 MHz，biaozhun=50 MHz。結果表明各信號的邏輯功能和時序配合都達到了期望指標。不同被測頻率的仿真值如表2所列。

5、結束語

本頻率計的設計將MSP430單片機的計數器Timer_A和Timer_B均設置為計數方式，比以往一個定時／計數器作定時器，另一個定時／計數器作計數器的方式計數精度要高，并且測量精度與被測信號無關，實現了0 MHz～10 MHz頻率范圍內的等精度測量，智能閘門控制方式使測量方便、靈活。本頻率測量系統還能實現更高頻率測量范圍的等精度測量，這時要根據不同測量系統的要求選擇24位、32位計數器。

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