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1、基于DSP的简易数字频率计*本作品获得2008年德州仪器(TI)C2000DSP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
2、,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
3、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
4、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
5、号处理部分以TMS320F2812DSP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
6、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
7、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
8、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
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