多通道测量的等精度频率计

本文介绍一种基于等精度测量的数字频率计的设计方案，该频率计在每个不同测频范围内保持精度不变，且对于幅度值较小的高低频信号能够准确测出。采用多通道的放大整形电路，故能在较宽的频率和幅度范围内对频率、周期、占空比、两路信号的时间间隔等参数进行测量。又结合STM32单片机强大的数据处理能力，将基准频率提高以获取更高的测量精度，还增加软件滤波使测量结果更为稳定。仿真和实验结果表明其测量精度高，有较高的稳定性。

数字频率计引入先进的可编程和显示技术，在现代的电子设备中用途广泛，主要应用在科技领域和日常生活居多，与示波器相比，数字频率计测量手段更简单，测验过程快捷直观，对于频率等电参数的丈量来说，其丈量越来越精确。

另外，经常使用两种方案来进行频率计的设计，一种方案是用单片机内部的计数器对待测信号进行计数，但低频时的测量误差变大，另一种方案是用单片机自带的定时器测量周期，由单片机读取计算值，导致测量高频时误差增大。

一般来说，市场上很多频率计都利用频率计专用模块以及数字集成电路完成制作，首先成本较高，其次是结构繁杂，而用软件开发的频率计实用且功能强大。为了保证整个范围的测量精度，可以同时测量周期和单位时间内的脉冲个数，这种方法叫M/T法，即等精度测量法，该方法在高频时相当于M法，低频时相当于T法。本数字频率计采用等精度测量法，使用CPLD芯片和VHDL语言开发出测频系统，选取一个非常稳定的50MHz有源晶体振荡源，进一步倍频到400MHz作为基准频率信号输入测频系统，通过在1s的预置门控时间内对待测信号同步计数，算出待测信号的频率值，其频率刷新时间为1s。

1、系统的硬件结构

考虑到输入的待测信号的幅度值较小且可变，故需要输入的不同频率或不同波形进行放大整形处理为幅值较高的脉冲信号，使其电平变换可被FPGA所识别。数字频率计的等精度测量过程中运用了四则运算理论，需要比较大的资源，若只用中小规模FPGA芯片设计难度较大，结合实际，选择单片机和FPGA相结合的方式来实现。

FPGA通过使用不同的硬件描述语言在线编程设计出不同的逻辑电路结构，且支持运算大量数据，工作速度极快，几乎不存在延时情况，满足本设计需要。其中单片机负责测量系统的控制、数据传输处理和更新显示内容；由EP4CE6E22C8N芯片构成的FPGA测量系统完成各种测试功能；FPGA获取键盘控制指令，及时切换测量频率和周期、测量两路信号相位差及测量占空比等不同功能；单片机不断从FPGA读取Zxin的测量数据并进行处理，然后把测量结果拆字送到显示屏LCD12864显示；由单片机进行显示屏的并口传输控制。

1.1单片机主控器硬件电路

考虑到STM32单片机方便GX的开发环境使操作更加简便，运算速率快、工作频率高、功耗小等优点，选择了STM32F103RBT6作为主控制器的芯片。

1.2整形放大硬件电路

高速运算放大器可以实现高频率小信号放大，但是增益带宽有限。然而，高频小信号放大器采用分立元件设计思路时，针对线路的设计要求简单，而且单个晶体管工作效率很高，能有效减少电路噪声，放大器也有很宽的频带范围。于是选择低噪声的分立元件来实现低频和高频放大，选用高频三极管NPN9018设计了宽带通道放大器更加适合高频率小信号放大。

由于测量通道采集的是模拟量信号，容易受到干扰而带来误差，所以采取独立电源供电方式.另引入RC滤波电路吸收外界脉冲干扰，进一步增加低噪声前置放大器使得微弱信号不至于被电路噪声湮没。宽带通道放大器功能是将高频小信号或低频小信号的正弦波转换成方波。采用低频三极管NPN9014设计低频小信号放大电路。采用斯密特触发器构成整形电路，使输出波形的整形效果稳定可靠。分别设计了两个低频小信号的测量通道和两个高频小信号的测量通道，根据设计要求，输入的毫伏级信号，经过高频或低频三极管前置放大后再经过共射电路二级放大，Z后由SN74lVC1G14斯密特触发器整形输出可被识别的脉冲波。

2、软件的设计与实现

传统的直接测量法无法同时满足高低频信号的测量要求，设计起来比较复杂，测量结果的相对误差较大。而使用等精度测量法在量程范围内可以确保高精度、误差率一致。

3、实验结果

测量的正弦波、方波和矩形波信号的峰峰值电压范围均为0.15～1V，正弦波的频率测量范围为1～10000000Hz，方波和矩形波的测量范围为1～1000000Hz。

4、结语

本数字频率计与其他频率计相比，整个测量系统采用分别针对高低频的输入信号各自设置有两个测量通道供用户选择的设计思路，测量精度高、测量量程宽、测量多功能等。其中，STM32微处理器可以控制测量模式的切换以及内容的显示。另外，FPGA测量系统采用等精度测量方法将测量误差转移到标准时钟源计数的±1减少误差，并将经过放大整形的被测信号运算后送往STM32单片机处理。其可扩展范围较广，只需要更改控制芯片、有源晶振、放大整形电路的相关参数，就可以在测量控制、资源勘探、电子信息等领域进行推广，应用前景可观，具有较高的实用价值。