基于PXI總線的寬帶頻率計(jì)設(shè)計(jì)

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1、基于PXI總線的寬帶頻率計(jì)設(shè)計(jì)頻率信號(hào)具有抗干擾性強(qiáng)，易于傳輸，易于保持信息完整性和可以獲得較高測(cè)量精度等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)川于FI常主活、工業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域，頻率測(cè)量成為信息捉取、設(shè)備檢測(cè)等過(guò)程屮的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。頻率檢測(cè)作為電子測(cè)量領(lǐng)域最基本的測(cè)量之一，隨著數(shù)字電子技術(shù)的發(fā)展而得到了長(zhǎng)足的進(jìn)步，數(shù)字頻率測(cè)量也得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)川，從而使測(cè)頻原理和測(cè)頻方法的研究受到越來(lái)越多的關(guān)注。本文在簡(jiǎn)述頻率測(cè)量原理和方法的基礎(chǔ)上，主要介紹一種基于PXI總線的寬帶、高精度數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。1測(cè)頻原理目前對(duì)頻率的測(cè)蜃采用的方法主要有羽繞電了計(jì)數(shù)器計(jì)一定時(shí)間內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)來(lái)確定頻率;對(duì)信號(hào)時(shí)頻變換的算法進(jìn)行研究。

2、本文主要討論前者。1.1直接測(cè)頻法電子計(jì)數(shù)器是一?種利川比較法進(jìn)行測(cè)量的最常見(jiàn)、最基本的數(shù)字化儀器，是其他數(shù)字化儀器的基礎(chǔ)。頻率在時(shí)間軸上是無(wú)限延伸的，因此對(duì)頻率測(cè)量需要確定一個(gè)取樣時(shí)間T,在該時(shí)間內(nèi)對(duì)被測(cè)信號(hào)的周期進(jìn)行累加計(jì)數(shù)（若計(jì)數(shù)值為N）,根據(jù)fx=N/T得到頻率值。此種方法由于閘門(mén)時(shí)間與被測(cè)信號(hào)不同步，計(jì)數(shù)時(shí)存在±1的計(jì)數(shù)誤差，影響測(cè)頻精度。1.2等精度測(cè)量法可見(jiàn)直接測(cè)頻法雖然設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，但是精度不高，為消除“±1計(jì)數(shù)誤差”，對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)如圖1所示。被測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波、放大、分頻、整形預(yù)處理Z后，將處理后的方波信號(hào)和閘門(mén)時(shí)間預(yù)置方波信號(hào)進(jìn)行同步控制。同步控制一般由D觸發(fā)器和三態(tài)門(mén)來(lái)實(shí)現(xiàn)。在

3、測(cè)頻率和周期時(shí)，單片機(jī)控制中心發(fā)出清零信號(hào)使三態(tài)傳輸門(mén)處于高阻狀態(tài)，同時(shí)給出啟動(dòng)閘門(mén)信號(hào)，當(dāng)被測(cè)信號(hào)整形后的方波信號(hào)上升沿到來(lái)吋，同步控制發(fā)出信號(hào)，使閘門(mén)A和閘門(mén)B同吋開(kāi)始對(duì)被測(cè)信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。當(dāng)單片機(jī)發(fā)出結(jié)束閘門(mén)信號(hào)后，fx的方波信號(hào)上升沿的到來(lái)，將使計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，并巾請(qǐng)中斷服務(wù)。這樣便實(shí)現(xiàn)了閘門(mén)的啟閉與fx同步，再將中斷服務(wù)送來(lái)的數(shù)據(jù)送入運(yùn)算中心進(jìn)行處理，最后將結(jié)果送入顯示系統(tǒng)，顯示測(cè)量結(jié)果。時(shí)序圖如圖2所示。￡j~~I__I—I__II__r預(yù)置閘門(mén)_II實(shí)際閘門(mén)等精度測(cè)頻時(shí)序圖經(jīng)分析，誤差主要來(lái)自標(biāo)頻信號(hào)與閘門(mén)B不同步產(chǎn)生的“土1”誤差，為進(jìn)一步提高測(cè)頻精度，提出了基于相位重

4、合的全同步測(cè)頻方法。1.3全同步測(cè)頻法全同步頻率計(jì)測(cè)頻思路：被測(cè)信號(hào)fx經(jīng)調(diào)理電路處理后與標(biāo)準(zhǔn)頻率fO—起被送入相位重合點(diǎn)檢測(cè)電路，先開(kāi)啟預(yù)置閘門(mén)，但并不計(jì)數(shù)，當(dāng)兩信號(hào)相位第一次重合時(shí)打開(kāi)實(shí)際閘門(mén)并開(kāi)始計(jì)數(shù)，而實(shí)際閘門(mén)的關(guān)閉是在預(yù)宜閘門(mén)下降沿后的第一個(gè)相位重合點(diǎn)到來(lái)時(shí)關(guān)閉的。這樣，計(jì)數(shù)電路在1s內(nèi)所累積伯的脈沖個(gè)數(shù)就有了頻率意義。頻率計(jì)算公式等精度測(cè)頻-樣，但是因?yàn)楸粶y(cè)頻率、標(biāo)準(zhǔn)頻率與閘門(mén)達(dá)到了真正的一致，理論上徹底消除了±1的計(jì)數(shù)誤差，如圖3所示。￡被測(cè)信號(hào)閘門(mén)A運(yùn)算電路標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)&FPGAVPXI總線全同步測(cè)頻法框囹設(shè)開(kāi)啟閘門(mén)時(shí)脈沖同步時(shí)間差為,關(guān)閉閘門(mén)時(shí)脈沖同步時(shí)間差為Zt2,脈沖的相位

5、同步檢測(cè)最大誤差為At,則有△At2^Ato不計(jì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘誤差，實(shí)際閘門(mén)與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘同步，實(shí)際閘門(mén)時(shí)間為T(mén),被測(cè)信號(hào)計(jì)數(shù)值為Nx,標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘計(jì)數(shù)值為No,則被測(cè)信號(hào)的頻率測(cè)量值為：真實(shí)值為:(1)(2)頻率測(cè)量的相對(duì)誤差為：由式(3)nJ知，誤差只為脈沖相位檢測(cè)電路的準(zhǔn)確度有關(guān)。2硬件電路設(shè)計(jì)2.1信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)被測(cè)信號(hào)為1Hz?6GHz頻帶范圍較寬，而CPLD/FPGA'p計(jì)數(shù)器工作頻率不超過(guò)200MH乙因此需要對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理。該頻率計(jì)模塊包含3個(gè)測(cè)試通道，分別為0,1,2通道。其屮，O通道所測(cè)頻率范圍為1?6GH乙1通道所測(cè)頻率范圍為50MHz?1GH乙2通道所測(cè)頻率范圍為1Hz?50M

6、HZo對(duì)于0,1通道的信號(hào)，由于頻率較高，因而先由高頻信號(hào)接收器進(jìn)行接收整形，然后經(jīng)前端分頻器分頻后送到FPGA/CP-LD進(jìn)行計(jì)數(shù);對(duì)于2通道所測(cè)的信號(hào)被放大整形后直接送到FPGA/CPLD計(jì)數(shù)。2.2器件選擇由于該頻率計(jì)模塊分3個(gè)測(cè)試通道，對(duì)應(yīng)不同的測(cè)試通道，選用了相對(duì)應(yīng)的器件。在O通道，選用Zarlink公司的ZL40800和SP8782,實(shí)現(xiàn)8X32分頻;在1通道，選用SP8782實(shí)現(xiàn)32分頻;在2通道選用施密特觸發(fā)器對(duì)信號(hào)進(jìn)行放人整形。高穩(wěn)定度晶振選用TC75溫度補(bǔ)償晶振，其穩(wěn)定度為土10-8;FPGA選用Altera公司的EPM7032SLC44-5,其速度等級(jí)為5ns,既滿足了該

7、電路的要求，又兼顧了電磁兼容;高頻信號(hào)接收器采用NB6L16差分接收器，其接收的最高信號(hào)頻率可達(dá)6GHZo2.3PXI總線接口電路設(shè)計(jì)專用PCI接口芯片加CPLD/FPGA的接口方案，采用專用接口芯片PCI9030雖沒(méi)有像肓接采用CPLD/FPGA那么靈活，但它可以人人縮短開(kāi)發(fā)周期，并且專用總線接口芯片具有通用性，提供配置寄存器，具備用于突發(fā)傳輸功能的片內(nèi)FIFO等優(yōu)點(diǎn)，避免了自行設(shè)計(jì)PXI總線將