基于DSP的简易数字频率计

摘要： 采用TMS320F2812 DSP芯片为控制单元，在无需任何门控器件控制的情况下，利用DSP 2812丰富的软件资源实现了等精度测量。根据每个门闸时间内高频标准脉冲的个数与已知被测信号的个数，求得被测信号频率，再通过多次平均得到最终结果。

关键词： 数字频率计；等精度测量；DSP

　　* 本作品获得2008年德州仪器(TI) C2000 DSP大奖赛命题组一等奖，并得到合肥工业大学2008年大学生创新性实验计划项目的资助

作品的意义与概况

　　随着微电子技术和计算机技术的飞速发展, 各种电子测量仪器在原理、功能、精度及自动化水平等方面都发生了巨大的变化, 特别是DSP技术诞生以后，电子测量技术更是迈进了一个全新的时代。近年来，DSP逐渐成为各种电子器件的基础器件，逐渐成为21世纪最具发展潜力的朝阳行业，甚至被誉为信息化数字化时代革命旗手。在电子测量技术中，频率是最基本的参数之一，它与许多电参量和非电量的测量都有着十分密切的关系。例如，许多传感器就是将一些非电量转换成频率来进行测量的，因此频率的测量就显得更为重要。数字频率计是用数字来显示被测信号频率的仪器，被测信号可以是正弦波、方波或其它周期性变化的信号。

　　数字频率计广泛采用了高速集成电路和大规模集成电路，使得仪器的体积更小、耗电更少、精度和可靠性更高。而传统的频率计测量误差较大，范围也较窄，因此逐渐被新型的数字频率计所代替。基于DSP的等精度频率计以其测量准确、精度高、方便、价格便宜等优势将得到广泛的应用。

　　我们设计的简易数字频率计在未采用任何门控器件控制的情况下，在很宽的范围内实现了等精度频率测量，0.5Hz~10MHz的范围内测量方波的最大相对误差小于2e-6，测量正弦波的最大相对误差小于3.5e-5；结果通过RS232通讯显示在计算机上，可以很方便地监测数据。

方案设计

　　总体介绍
　　传统的等精度测频法使用门控器件产生门控信号，从而实现实际门闸信号与被测信号同步，消除对被测信号计数产生的一个脉冲的误差，其原理图如图1所示。

图1 传统的等精度测量原理

　　由硬件控制计数的门闸时间，当预置们信号(即定闸门信号)为高电平时，基准信号计数器CNT1和被测信号计数器CNT2并不启动，而是等被测信号的上升沿来到时才同时开始计数；当预置们信号为低电平时，两个计数器并不马上关闭，同样要等到被测信号上升沿来到后再关闭；于是，实际闸门时间就是被测信号周期的整数倍，从而实现了闸门与被测信号的同步。但是，实际的门闸时间并不固定，与被测信号的频率有关。此外，无论是采用计数器还是单片机，在实现等精度测量时总是离不开门控器件。

　　本设计基于DSP丰富的软件资源，经过判断和处理，完成了对被测信号频率的等精度测量。硬件上无需任何门控器件，简化了电路。系统框图如图2所示，信号处理部分以TMS320F2812 DSP芯片作为控制和测量的核心；信号调理部分主要是完成对信号的放大、整形和限幅；标准频率信号由30MHz有源晶振产生，作为高频标准填充脉冲；通过DSP的SCI模块与上位机实现通信，结果显示在上位机上。

图2 系统框图

　　频率/周期测量
　　在对被测信号频率和周期的测量中，等精度测量是基于DSP比较匹配时T1PWM引脚输出电平的跳变作为门闸信号的开启和关闭，由于比较匹配发生在被测信号的上升沿，从而实现了门闸时间与被测信号的同步。原理图如图3所示。

图3 本等精度频率测量原理

　　通用定时器T1时钟输入选择外部定时器时钟，此处用调理后的被测信号作为定时器T1的时钟输入，定时器T2时钟输入选择内部CPU时钟，用来产生高频标准填充脉冲。F2812片上EVA中通用定时器T1在发生比较匹配事件时，其比较输出引脚T1CMP输出信号会自动改变电平状态，产生PWM波。捕获单元CAP1设置为上升沿捕获，T1PWM输出的PWM波上升沿被CAP1捕获到，读取此时定时器T2的计数值，同理在下一次比较匹配时再次读取定时器T2的计数值。通过两次T2CNT值的相减，即可获得该门闸时间内标准填充脉冲的个数，然后求出被测信号频率。

　　基于DSP比较匹配时T1PWM引脚输出电平的跳变作为门闸信号的开启和关闭，由于比较匹配发生在被测信号的上升沿，从而实现了门闸时间与被测信号的同步。两个相邻的比较匹配产生的PWM波的上升沿分别作为门闸信号的开启和关闭信号，其中被测信号的个数为整数，并且是由我们自己任意设定的。定时器T2时钟输入选择内部CPU时钟，用来产生标准填充脉冲。设定捕获单元CAP1为上升沿捕获，当其捕获到上升沿时读取堆栈CAPFIFO内的值，在下一次捕获到时再读堆栈内的值，计算出标准填充脉冲的个数Ny，保证Ny的个数不小于一定的值，即可保证门闸时间大于一定的值。假设现在希望一个门闸时间内高频填充脉冲的总数不小于n，当Ny>n时，就增大定时器T1的定时周期，即增大定时器T1周期寄存器TIPR的值。存在公式T1PR+1=n/Ny，由于n/Ny不一定为整数，假a<n/Ny<a+1(a为整数)，则取n/Ny=a+1，表现在被测信号上，则与传统的用硬件控制一样，用下一个被测信号的上升沿作为门闸信号的关闭信号，只不过该上升沿发生在下一次的比较匹配时。然后，再在该门闸时间内读取高频填充脉冲的个数，有Ny≥n，从而得出高精度的被测信号频率。在本设计中，定时器T1并不关闭，前一门闸时间的关闭信号同时作为下一门闸信号的开启信号。

　　周期测量与频率测量的基本原理完全相同，测出信号频率，根据公T=1/f即可得出被测信号的周期。

　　误差分析
　　定时器T1计数的启停时间都是由该信号的上升沿触发的，在一次测量时间内对被测信号的计数无误差；在此时间内标准频率脉冲的计数个数Ny，最多相差一个脉冲，故理论误差为：

　　|d|≤1/N_y

　　显然，测量精度仅仅与Ny有关，只要Ny值足够大，就能保证精度。