高精度頻率測量裝置的研究與設計

『壹』 設計數字頻率計

一、基本原理
使用555產生矩形波信號，輸入到單片機進行測量頻率。
測頻的方案有多種：
1、測周法：通過測量被測信號的周期的倒數得到頻率，選用適當的時基，以被測信號作為計數的閘門進行測量，得到閘門內的計數值，與時基相乘即為被測信號的周期，周期的倒數即為頻率。該法適合測量頻率低的信號。
2、測頻法：通過頻率的定義即單位時間的脈沖數，得到被測信號的頻率。選用適當的時基，如1秒，以此作為計數閘門，得到閘門內的計數值即為信號的頻率。該法適合測量頻率高的信號。
二、參考電路框圖
模擬電路，程序在這里 http://hi..com/huang0776/item/a2983cb9d12f35442aebe3dc三、參考程序流程圖

圖

『貳』 跪求：《數字頻率計的設計》 原理，方框圖，電路圖！

摘 要：文中運用VHDL語言，採用Top To Down的方法，實現8位數字頻率計，並利用Isp Expert集成開發環境進行編輯、綜合、波形模擬，並下載到CPLD器件中，經實際電路測試，該系統系統性能可靠。
關鍵詞：EDA；VHDL；數字頻率計；波形模擬；CPLD�
1引言
VHDL（Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language,超高速集成電路硬體描述語言）誕生於1982年，是由美國國防部開發的一種快速設計電路的工具，目前已經成為IEEE（The Institute of Electrical and Electronics Engineers）的一種工業標准硬體描述語言。相比傳統的電路系統的設計方法，VHDL具有多層次描述系統硬體功能的能力，支持自頂向下（Top to Down）和基於庫（LibraryBased）的設計的特點，因此設計者可以不必了解硬體結構。從系統設計入手，在頂層進行系統方框圖的劃分和結構設計，在方框圖一級用VHDL對電路的行為進行描述，並進行模擬和糾錯，然後在系統一級進行驗證，最後再用邏輯綜合優化工具生成具體的門級邏輯電路的網表，下載到具體的CPLD器件中去，從而實現可編程的專用集成電路（ASIC）的設計。
數字頻率計是數字電路中的一個典型應用，實際的硬體設計用到的器件較多，連線比較復雜，而且會產生比較大的延時，造成測量誤差、可靠性差。隨著復雜可編程邏輯器件（CPLD）的廣泛應用，以EDA工具作為開發手段，運用VHDL語言。將使整個系統大大簡化。提高整體的性能和可靠性。
本文用VHDL在CPLD器件上實現一種8 b數字頻率計測頻系統，能夠用十進制數碼顯示被測信號的頻率，不僅能夠測量正弦波、方波和三角波等信號的頻率，而且還能對其他多種物理量進行測量。具有體積小、可靠性高、功耗低的特點。
2數字頻率計的基本設計原理
數字頻率計的原理框圖如圖1所示。他主要由5個模塊組成，分別是：脈沖發生器電路、測頻控制信號發生器電路、計數模塊電路、鎖存器、解碼驅動電路。�

當系統正常工作時，脈沖發生器提供的1 Hz的輸入信號，經過測頻控制信號發生器進行信號的變換，產生計數信號，被測信號通過信號整形電路產生同頻率的矩形波，送入計數模塊，計數模塊對輸入的矩形波進行計數，將計數結果送入鎖存器中，保證系統可以穩定顯示數據，顯示解碼驅動電路將二進製表示的計數結果轉換成相應的能夠在七段數碼顯示管上可以顯示的十進制結果。在數碼顯示管上可以看到計數結果。�
3設計實現�
3.1系統方框圖的劃分和結構設計
根據數字頻率計的系統原理框圖（圖1虛線框內），設計系統的頂層電路圖如圖2所示。�

圖2中TESTCTL為測頻控制信號發生器。TESTCTL的計數使能信號TSTEN能產生一個1 s寬的周期信號，並對頻率計的每一計數器CNT10的ENA使能端進行同步控制：當TSTEN高電平時允許計數、低電平時停止計數。
REG32B為鎖存器。在信號Load的上升沿時，立即對模塊的輸入口的數據鎖存到REG32B的內部，並由REG32B的輸出端輸出，然後，七段解碼器可以解碼輸出。在這里使用了鎖存器，好處是可以穩定顯示數據，不會由於周期性的清零信號而不斷閃爍。
CNT10為十進制計數器。有一時鍾使能輸入端ENA，用於鎖定計數值。當高電平時允許計數，低電平時禁止計數。圖2中將8個十進制計數器CNT10級聯起來實現8 b十進制計數功能。
SEVYM為七段解碼顯示驅動電路，可以將頻率計數的結果譯成能在數碼管上顯示相對應的阿拉伯數字，便於讀取測量的結果。
為了實現系統功能，測頻控制信號發生器TESTCTL、計數器CNT10、鎖存器REG32B存在一個工作時序的問題，設計時需要綜合考慮。
圖3給出了系統的工作時序。圖3中CLK是由圖1中脈沖發生器產生的頻率為1 Hz的標准時鍾信號，當測頻控制信號發生器TESTCTL的TSTEN端為高電平時允許計數、低電平時停止計數，在停止計數期間，測頻控制信號發生器TESTCTL的Load端產生一個上升沿，將計數器在前1 s的計數值鎖存進32 b鎖存器REG32B中，並由8個7段解碼器將計數結果譯出穩定顯示。鎖存信號之後經過半個CLK周期，測頻控制信號發生器TESTCTL的CLR�_CNT端產生一個上升沿，對計數器進行清零。為下1 s的計數操作做准備。
為了產生這個時序圖，首先有一個D觸發器構成二分頻器，在每次時鍾CLK的上升沿到來使其值翻轉。D觸發器的輸出高電平正好是1 s，因此可以作為測頻控制信號發生器TESTCTL的TSTEN端，用來控制計數。而Load信號正好是TSTEN端信號的翻轉。在計數結束後半個CLK周期，CLK與TSTEN都為低電平，這時CLR�_CNT產生一個上升沿作為清零信號。�

3.2各模塊的VHDL源程序
採用VHDL描述數字頻率計的電路時，根據圖2所示的數字頻率計系統頂層電路圖，按照自頂向下的設計思路，編寫各個模塊的VHDL源程序，最後再對各個模塊進行組合，編寫頂層描述的VHDL源程序，由於篇幅所限，本文僅介紹數字頻率計頂層描述的源程序，各個模塊的VHDL源程序編寫較為簡單，可以根據各自的功能，相應地寫出。
8位數字頻率計的頂層描述VHDL源程序為：

4系統的功能模擬
Lattice公司推出的Isp Expert的數字系統設計軟體，是一套完整的EDA軟體，能夠對所設計的數字電子系統進行時序模擬和功能模擬。
採用Lattice公司推出的Isp Expert EDA軟體，對所編寫數字頻率計VHDL源程序進行編譯、邏輯綜合，自動地把VHDL描述轉變為門級電路。然後進行波形模擬，編寫的模擬測試向量文件如下（為模擬簡單起見，測試一個66 Hz的周期信號）：

模擬後得到的波形圖如圖4所示，從模擬波形上看測量的結果是准確的。還可以進一步修改測試向量文件，進行波形模擬。最後通過編程電纜，將所設計的內容下載到CPLD器件中，進行實物模擬。�

5結語
本文介紹了使用VHDL語言設計數字頻率計的方法，並下載到CPLD中組成實際電路，這樣可以簡化硬體的開發和製造過程，而且使硬體體積大大縮小，並提高了系統的可靠性。同時在基本電路模塊基礎上，不必修改硬體電路，通過修改VHDL源程序，增加一些新功能，滿足不同用戶的需要，實現數字系統硬體的軟體化。

『叄』 如何提高射頻測試儀器的射頻測量技術

一、射頻信號源的選擇
所有的射頻信號源都能產生連續（CW）射頻正弦波信號。某些信號發生器也能夠產生模擬調制射頻信號（如AM信號或脈沖射頻信號），矢量信號發生器採用IQ調制器產生各種模擬或數字調制信號。

射頻信號源進一步可以分成很多種，包括固定頻率CW正弦波輸出源、掃描輸出一個頻段非固定頻率CW正弦波的掃頻源、模擬信號發生器以及增加模擬和數字調制功能的矢量信號發生器。

如果測試需要激勵信號，那麼就需要射頻信號源。射頻信號源的關鍵指標是頻率與幅值范圍、幅值精度和調制質量（對於產生調制信號的信號源而言）。頻率調諧速度和幅值穩定時間對於減少測試時間也是非常關鍵的。

矢量信號發生器是一種高性能的信號源，通常結合任意波形發生器一起產生某些調制信號。通過任意波形發生器可以使矢量信號發生器產生任意類型的模擬或數字調制信號。這種發生器可以在內部產生多種基帶波形，在某些情況下，也可以在外部產生某種基帶波形然後載入到儀器中。如果測試規范要求被測的元件、設備或系統按照待測設備最終使用中的處理調制方式進行測試，那麼這種情況下通常需要使用矢量信號發生器。

如果測試規范需要進行接收器靈敏度測試、誤碼率測試、相鄰信道抑制、雙音互調抑制、或雙音互調失真的測試，那麼也需要使用射頻信號源。雙音互調測試和相鄰信道抑制測試需要兩個信號源，接收器靈敏度測試和/或誤碼率測試只需要使用一個射頻信號源。

如果待測器件是用於行動電話的，那麼測試者可能要根據行動電話標準的需要進行調制信號類型的測試。行動電話功率放大器需要結合調制信號源（例如矢量信號發生器）進行測試。在選擇某種矢量信號發生器之前，要評估一下該信號發生器在不同調制信號之間的切換速度，以確保其能夠提供最快的測試時間。

二、射頻功率計——射頻領域的數字萬用表
功率是射頻領域中最經常被測量的一個量。測量功率最簡單的方法就是使用功率計，它實際上是用來測量射頻信號功率的。功率計中使用寬頻檢波器，按瓦特、dBm、或者dBμV顯示絕對功率的大小。對於大多數功率計而言，寬頻檢波器（或感測器）是一個射頻肖特基二極體或者二極體網路，實現射頻到直流的轉換處理。

功率計是所有測量功率的射頻儀器中最准確的。高端功率計（通常需要一個外部功率感測器）可以實現0.1dB或更高的測量精度。功率計最低可以測量-70dBm（100pW）的功率。感測器有各種模型，從高功率模型、高頻率（40GHz）模型，到峰值功率測量的高帶寬模型等。

功率計有單通道和雙通道兩種。每個通道都需要配置自己的感測器。兩個通道的功率計就能夠測量出一個器件、電路或系統的輸入和輸出功率，並計算出增益或損耗。某些功率計能夠達到每秒200到1500次讀數的測量速度。而有些功率計能夠測量多種信號的峰值功率特性，包括通信和某些應用中使用的調制信號和脈沖射頻信號。雙通道的功率計還能夠准確測量出相對功率。功率計還可以針對攜帶型應用的需要設計成尺寸精巧的外形，使其更適合於現場測試的需要。功率計的主要局限在於其幅值測量范圍。頻率范圍是與測量量程之間進行折衷的。此外，功率計雖然能夠非常准確地測量出功率，但是無法表示信號的頻率分量。

三、射頻頻譜或射頻信號分析儀——射頻工程師的示波器
頻譜或矢量信號分析儀利用窄帶檢測技術在頻域內測量射頻信號。其主要的輸出顯示是功率頻譜與頻率之間的關系，包括絕對功率和相對功率。這種分析儀還可以輸出解調信號。

頻譜分析儀和矢量信號分析儀沒有像功率計那樣的精確性，但是，射頻分析儀中使用的窄帶檢測技術使其能夠測量低達-150dBm的功率。射頻分析儀的精度一般在±0.5dB以上。

頻譜和矢量信號分析儀可以測量的信號頻率從1kHz到40GHz（甚至以上）。頻率范圍越寬，分析儀的成本就越大。最常見的分析儀的頻率達到3GHz。工作在5.8GHz頻率范圍的新通信標准就需要帶寬為6GHz以上的分析儀。

矢量信號分析儀是增加了信號處理功能的頻譜分析儀，它不僅能夠測量信號的幅值，而且能夠將信號分解成它的同相和正交分量。矢量信號分析儀可以將某些調制信號進行解調，例如一些由行動電話、無線LAN設備和基於其他一些新通信標準的設備所產生的調制信號。矢量信號分析儀可以顯示星座圖、碼域圖和調制質量（例如誤差矢量幅度）的計算度量。

傳統的頻譜分析儀是掃描-調諧式設備，因為其中的局部振盪器要掃描一個頻率范圍，窄帶濾波器就可以獲取該頻率范圍內每個單位頻率上的功率分量。矢量信號分析儀也掃描一部分頻譜，但是它們捕捉一定寬頻內的數據進行快速傅立葉變換得到單位頻率上的功率分量。因此矢量信號分析儀掃描頻譜的速度比頻譜分析儀快得多。

評價矢量信號分析儀性能的關鍵指標在於它的測量帶寬。一些新的高帶寬通信標准，例如WLAN和WiMax，需要捕捉帶寬為20MHz的信號。要想捕捉並分析這些信號，分析儀必須具有足夠大的帶寬才能捕捉到整個信號。如果測試高帶寬、數字調制的信號，那麼要確保分析儀的測量帶寬能夠充分捕捉到所測的信號。

頻譜分析儀可以用於檢驗待測發射機是否產生了正確的功率頻譜。如果設計工程要求測試某些失真分量，例如諧波或寄生信號，那麼就需要採用頻譜分析儀或矢量信號分析儀。類似的，如果設計者關注器件的雜訊功率，那麼也需要使用這樣的射頻分析儀。其他一些需要頻譜分析儀或矢量信號分析儀的例子包括：測試互調失真、三階截斷、功率放大器或功率晶體管的1dB增益壓縮、器件的頻率響應等。

測試那些涉及數字調制信號的發射機或放大器就需要使用矢量信號分析儀，對調制信號進行解調。矢量信號分析儀能夠測量出某個器件產生了多大的調制失真。解調過程是一個復雜、計算密集的過程。能夠快速進行解調和測量計算操作的矢量信號分析儀就可以大大縮短測試時間，降低測試成本。

四、網路分析儀
除了頻譜分析儀和矢量信號分析儀，第三類分析儀就是網路分析儀。網路分析儀包含一個內置的射頻信號源和一個測試射頻器件的寬頻（或窄帶）探測器。網路分析儀以x-y坐標、極坐標或史密斯圓圖的形式輸出顯式器件的特性。

從本質上來看，網路分析儀測量的是器件的S參數。矢量網路分析儀可以提供幅值和相位信息，可以以很高的精度判斷這些器件在某個寬頻段上的傳輸損耗與增益。通過矢量網路分析儀，還可以測量出回波損耗（反射系數）和阻抗匹配，進行相位測量和群延遲測量。

網路分析儀主要用於分析諸如濾波器和放大器之類的元件。值得注意的是，網路分析採用的是未經調制的連續波，分析儀的校準十分重要。利用製造商提供的校準工具包可以實現網路分析儀的校準。由於網路分析儀在一台儀器內集成了信號源和測量功能，而且分析儀具有較寬的頻率范圍，因此這類儀器的價格比較昂貴。

有時需要同時使用上述四種主要的射頻測試儀器，例如功率放大器（PA）的測試。信號源可以提供輸入信號，功率計或頻譜分析儀可以測量輸出功率。如果精度非常重要，比如在測量最大功率時，就需要使用功率計進行輸出測量。PA的輸入匹配對於從事射頻發射器的設計者來說是一個關鍵參數。放大所有供給PA的功率，不因反射而損耗實際的功率，這是非常重要的。因此，PA製造商一般會使用網路分析儀測量PA的回波損耗（即S11）。

『肆』 簡易數字頻率計的設計

頻率測量的方法常用的有測頻法和測周法兩種。

測頻法的基本思想是讓計數器在閘門信號的控制下計數1秒時間，計數結果是1秒內被測信號的周期數，即被測信號的頻率。若被測信號不是矩形脈沖，則應先變換成同頻率的矩形脈沖。測頻法的原理框圖如圖所示。

圖中，秒脈沖作為閘門信號，當其為高電平時，計數器計數；低電平時，計數器停止計數。顯然，在同樣的閘門信號作用下，被測信號的頻率越高，測量誤差越小。當被測頻率一定時，閘門信號高電平的時間越長，測量誤差越小。但是閘門信號周期越長，測量的響應時間也越長。

2、當被測信號頻率較低時，為保證測量精度，常採用測周法。即先測出被測信號的周期，再換算成頻率。測周法的實質是把被測信號作為閘門信號。

在它的高電平的時間內，用一個標准頻率的信號源作為計數器的時鍾脈沖。若計數結果為N，標准信號頻率為f1，則被測信號的周期為：T = T1·N。被測信號的頻率為：f = 1/T1·N = f1/N。

利用測周法所產生的最大絕對誤差，顯然也等於±1個標准信號周期。如果被測信號周期的真值為T真= T1·N，則T測= T1·（N±1）σmax= （f測-f真）/ f真= T真/T測 – 1=±1/（N±1）由上式可知，對於一定的被測信號，標准信號的頻率越高，則N的值越大，因而相對誤差越小。

3、低頻段的測量，鑒於上述困難，對於低頻信號，為了達到規定的精度，要採取一些比較特殊的方法。例如，可考慮將被測信號倍頻後再用測頻法測量。

或將閘門信號展寬。由於倍頻電路比較復雜，所以一般採用後一種方法，實際上閘門信號展寬與被測信號倍頻在效果上是相同的。

閘門信號展寬比較容易做到，例如採用分頻電路就可以實現。若閘門信號高電平時間從1秒展寬到10秒，則相對誤差可以按比例下降，但響應時間也增大相同的比例。

4、顯示方式：共用右邊四個數碼管，左三個顯示數據，最右端一個顯示單位，為0時單位為Hz，為1時單位為Khz

5、代碼：

//#include<c8051F330.h>

#include<ZLG7289.h>

#include<init.h>

#define uint unsigned int

uint a,b,c,d;

unsigned long x;

unsigned long count;

unsigned char flag=0;

void Timer0_Init()interrupt 1

{

TH0=(65535-10000)/256;

TL0=(65535-10000)%256;

if(++count==40)

{

count=0;

TR1=0;

x=TH1*256+TL1;

TH1=0;

TL1=0;

TR1=1;

flag=1;

}

}

void show(void)

{if(x>=10&&x<100)

{

a=0;

b=x*10%100;

c=x/10;

d=x%10;

ZLG7289_Download(1,7,0,a);

ZLG7289_Download(1,6,0,b);

ZLG7289_Download(1,5,1,d);

ZLG7289_Download(1,4,0,c);

}

else if(x>=100&&x<1000)

{

a=0;

b=x/100;

c=x%100/10;

d=x%10;

ZLG7289_Download(1,7,0,a);

ZLG7289_Download(1,6,1,d);

ZLG7289_Download(1,5,0,c);

ZLG7289_Download(1,4,0,b);

}

else if(x>=1000&&x<10000)

{

a=x/1000;

b=x%1000/100;

c=x%100/10;

d=1;

ZLG7289_Download(1,7,0,d);

ZLG7289_Download(1,6,0,c);

ZLG7289_Download(1,5,0,b);

ZLG7289_Download(1,4,1,a);

}

}

main(void)

{

system_init();

systemclk_init();

port_init();

ZLG7289_Init(40);

ZLG7289_Reset();

timer_init();

while(1)

{

if(flag==1)

{

show();

flag = 0;

}

}}

#include <C8051F330.h>

#include <port.h>

void system_init()

{

PCA0MD&=~0x40;

}

void systemclk_init()

{

OSCICL=OSCICL+42; //設置內部振盪器為24MHZ

OSCICN|=0x01; //內部振盪器4分頻

}

void port_init()

{

P0SKIP=0x00; //跳過P0.0做INT0.P0.1做INT1(P0.6,P0.7模擬輸出不跳)

P1SKIP=0x00; //跳過P1.2，P1.3，P1.4

XBR0=0x00; //交叉開關使能UART0

XBR1=0x60; //打開交叉開關

//IT01CF=0x10; //INT0配置在P0.0，INT1配置在P0.1

P0MDIN=0xFF; //數字輸入

P1MDIN=0xFF;

P0MDOUT=0xFF; //推挽

P1MDOUT=0xFF;

}

void timer_init()

{

TMOD=0X51;

TH0=(65535-2500)/256;

TL0=(65535-2500)%256;

EA=1;

ET0=1;

TR1=1;

TR0=1;

}

#ifndef __port_H_

#define __port_H_

void system_init(void);

void systemclk_init(void);

void port_init(void);

void timer_init(void);

#endif