基于ARM7的高精度频率计的设计

薛巨峰关子钧刘彬东北林业大学机电工程学院哈尔滨铁路局物资管理处



基于ARM7的高精度频率计的设计

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摘要：文章通过对相位重合检测技术的分析，提出了基于此理论并用ARM7 作为主控芯片的高精度频率计的设计方法。该设计方法通过捕捉相位之间的重合点，能够有效消除±1个字的计数误差。在此基础上由于ARM7 具有32位的处理器内核以及流水线技术，使得频率计的测量速度和精度比传统的使用16位单片机设计的频率计要高很多。本频率计最大测量频率为10MHz。同时本设计采用安捷伦公司生产的恒温晶振10811A作为标准频率，能够有效保证测量精度能够达到10-10量级。为了降低成本，在设计中选用采用ARM7 芯片内部的计数器以及用简单的逻辑电路进行设计。由于其测量精度要超过多周期同步测量法，而成本又比模拟内插法和游标法低很多，因此此频率计拥有很广泛的市场前景。

关键词：相位重合点 频率计 ARM

频率是人们工作和生活当中常用到的物理量之一。其中时间、速度等物理量都可以用频率来表示。近年来随着现代工业的发展，高精度的频率计得到广泛的重视与应用，比如各大高校和科研院所的实验室需要用到的频率计基准。但是目前能够满足高精度测量要求的频率计结构复杂而且价格昂贵，因此设计一款精度高、成本低的频率计就十分必要了。

直接计数法是过去经常用到的测量频率的方法。直接计数法包括两种测量原理，一种测量原理是在闸门时间T 不变的情况下，对被测频率进行计数，通过所计的脉冲数N与T的比值求出相应的频率值；另一种原理是在给定的一个被测信号周期内对标准频率进行计数，通过所计的数值N0与标准频率值求出被测频率。但它们都存在±1个字的计数误差。测量精度低。其次是多周期同步测量法，此方法又叫作倒数计数器法。它是目前频率测量中应用最为广泛的测频方法。

多周期同步测量法的测量原理是在若干个给定的被测信号的周期中对标准频率和被测频率同时计数，根据所测得数值求出被测频率。它让不同的被测频率与实际闸门同步，这样就去除了被测频率的±1个字的计数误差，但标准频率依然还存在±1个字的计数误差。此外还有游标法和模拟内插法，这两种方法分别通过游标振荡器和内插器来减小±1个字的计数误差，能够达到很高的精度，但是仪器结构复杂而且成本很高。

本文利用相位检测技术，通过捕捉标准信号和被测频率的相位重合点，使这两个频率和实际闸门完全同步，从而消除了标准频率和被测频率中的±1个字的计数误差，使测量中的精确度能够达到10-10量级。但传统频率计的核心硬件设计大都使用16位单片机外接级联的计数器，这样不仅使电路复杂，引入不必要的误差，无法保证测量精度，而且处理测量数据速度过慢，在当今科研工作中已经无法达到科研人员的科研要求。本文在此基础上通过选用32位处理器ARM7 作为主控芯片，比传统的16位单片机提高了控制系统和测量数据处理的速度。

1　相频检测法原理及误差分析

在相位检测法频率测量中有一个重要的概念就是最大公因子频率fp。它的倒数为最小公倍数周期Tp。最大公因子频率的定义为：如果对于任意两个频率信号和f1 和f2 ，当f1= M f0 ，f2= Nf0 ；其中M 和N 这两个正整数没有公共的约数，那么f0 就是f1 和f2 之间的最大公因子频率fp 。两个信号的量化相移分辨率设为 ，其公式如下：在一个Tp 周期中有M 个f1 的周期或者N 个f2 的周期T2 。假设M＞N且以f2 的上升沿作为参考，那么量化后的f1 和f2 在一个Tp 周期中有且只有N 种相位差情况，并且每种情况在一个Tp 周期中各不相同。若按大小表示则为0，，2 ，…，（N-1）。当两个信号相位差十分小时，称之为相位重合点。相位检测测频T∂T∂ T∂ T∂的原理就是捕捉若干个相位重合点，在这些相位重合点之间有完整的整数倍标准信号和被测信号的周期，以此来设定实际的闸门时间。这样就可以消除标准频率和被测频率中都存在±1个字的计数误差。

2　硬件电路设计

由于被测信号要求最大测量频率为10MHz ，测量精度达到10-10量级，因此标准信号频率精度要至少达到10-11量级。基于此本文选用安捷伦公司生产的恒温晶振10811A作为标准频率的输出设备，其最大输出频率为10MHz，准确度优于10-11。同时其具有体积小、便于产品设计的优点，因此满足设计要求。其中频率经过信号调理电路的目的是对输入的信号进行必要的整形与放大。它的输入阻抗以及输入电压的灵敏度要高，以及能够调理各种波形的周期性信号，其中良好的抗干扰能力也是必不可少的。因此本设计选择应用比较器ADCMP604实现信号调理功能，将信号整形为方波信号。ADCMP604的延迟时间大约为1.6ns，与被测信号10MHz相比可以忽略不计。与此同时，电路在抑制共模干扰方面决定采用LVDS差分信号输出来实现。电路图如图3所示。其中Vp端接被测信号，Vn端接地，当fx 大于0时，Q端输出为高电平，当f小于0时，Q 端输出为低电平。Q 和Q 是LV D S 兼容差分输出端。C1为去高频噪声电容，其值为0.01μF 。C2为去耦电容，目的是为了保证比较门限的稳定。LVDS 差分信号接收端的匹配电阻R1值为100Ω。

fx 和本身取反延时后相与得到。最后再将两个脉冲相与得到相位重合点的频率fp。在主控芯片中，本文选用了由PHILIPS 公司生产的基于ARM7TDMI-S内核的32位微处理器LPC2131。由于本文设计的高精度频率计的实际需要，需要尽可能减小测量误差，因此低功耗就成为选择芯片的主要指标。本芯片采用冯 诺依曼结构，具有高性能和低功耗的特性，ARM7TDMI-S还使用了3级流水线技术，通常在执行一条指令时，就对第二条指令进行译码并同时对第三条指令进行提取。这极大地提高了测量速度，使高精度测量能够更加快速和准确。其中LPC2131 产生的PWM脉冲作为参考闸门信号。与此同时，为了保证电路的稳定性和降低成本，精简了核心电路的组成，此方案利用ARM控制芯片LPC2131 中两个32位可编程定时/计数器。 LPC2131通过片内PLL 可实现60MHz的CPU 工作频率，不仅满足设计要求，降低了成本，而且提高了运算速度，避免引入不必要的误差。

3　软件设计

本文所设计的系统其软件是在ADS1.2平台上用C 语言编写完成的。并使用EasyJTAG仿真器进行仿真。LPC2131在频率计中一方面要将计数器的计数N0 和Nx 经过公式（2）算出被测频率值，并显示在LCD上，同时还负责外部面板的按键功能。

4　结束语

本文选用32位ARM7 的芯片作为核心的主控芯片，并利用相位重合检测技术对高精度的频率计进行了设计，为了让实际闸门开闭时间与标准频率和被测频率同步，采用了对标准频率和被测频率的相位重合点的捕捉，有效地消除了±1个字的计数误差，提高了测量准确度；由于使用了32位ARM7 的芯片。