高精度频率测量装置的研究与设计

『壹』 设计数字频率计

一、基本原理
使用555产生矩形波信号，输入到单片机进行测量频率。
测频的方案有多种：
1、测周法：通过测量被测信号的周期的倒数得到频率，选用适当的时基，以被测信号作为计数的闸门进行测量，得到闸门内的计数值，与时基相乘即为被测信号的周期，周期的倒数即为频率。该法适合测量频率低的信号。
2、测频法：通过频率的定义即单位时间的脉冲数，得到被测信号的频率。选用适当的时基，如1秒，以此作为计数闸门，得到闸门内的计数值即为信号的频率。该法适合测量频率高的信号。
二、参考电路框图
仿真电路，程序在这里 http://hi..com/huang0776/item/a2983cb9d12f35442aebe3dc三、参考程序流程图

图

『贰』 跪求：《数字频率计的设计》 原理，方框图，电路图！

摘 要：文中运用VHDL语言，采用Top To Down的方法，实现8位数字频率计，并利用Isp Expert集成开发环境进行编辑、综合、波形仿真，并下载到CPLD器件中，经实际电路测试，该系统系统性能可靠。
关键词：EDA；VHDL；数字频率计；波形仿真；CPLD�
1引言
VHDL（Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language,超高速集成电路硬件描述语言）诞生于1982年，是由美国国防部开发的一种快速设计电路的工具，目前已经成为IEEE（The Institute of Electrical and Electronics Engineers）的一种工业标准硬件描述语言。相比传统的电路系统的设计方法，VHDL具有多层次描述系统硬件功能的能力，支持自顶向下（Top to Down）和基于库（LibraryBased）的设计的特点，因此设计者可以不必了解硬件结构。从系统设计入手，在顶层进行系统方框图的划分和结构设计，在方框图一级用VHDL对电路的行为进行描述，并进行仿真和纠错，然后在系统一级进行验证，最后再用逻辑综合优化工具生成具体的门级逻辑电路的网表，下载到具体的CPLD器件中去，从而实现可编程的专用集成电路（ASIC）的设计。
数字频率计是数字电路中的一个典型应用，实际的硬件设计用到的器件较多，连线比较复杂，而且会产生比较大的延时，造成测量误差、可靠性差。随着复杂可编程逻辑器件（CPLD）的广泛应用，以EDA工具作为开发手段，运用VHDL语言。将使整个系统大大简化。提高整体的性能和可靠性。
本文用VHDL在CPLD器件上实现一种8 b数字频率计测频系统，能够用十进制数码显示被测信号的频率，不仅能够测量正弦波、方波和三角波等信号的频率，而且还能对其他多种物理量进行测量。具有体积小、可靠性高、功耗低的特点。
2数字频率计的基本设计原理
数字频率计的原理框图如图1所示。他主要由5个模块组成，分别是：脉冲发生器电路、测频控制信号发生器电路、计数模块电路、锁存器、译码驱动电路。�

当系统正常工作时，脉冲发生器提供的1 Hz的输入信号，经过测频控制信号发生器进行信号的变换，产生计数信号，被测信号通过信号整形电路产生同频率的矩形波，送入计数模块，计数模块对输入的矩形波进行计数，将计数结果送入锁存器中，保证系统可以稳定显示数据，显示译码驱动电路将二进制表示的计数结果转换成相应的能够在七段数码显示管上可以显示的十进制结果。在数码显示管上可以看到计数结果。�
3设计实现�
3.1系统方框图的划分和结构设计
根据数字频率计的系统原理框图（图1虚线框内），设计系统的顶层电路图如图2所示。�

图2中TESTCTL为测频控制信号发生器。TESTCTL的计数使能信号TSTEN能产生一个1 s宽的周期信号，并对频率计的每一计数器CNT10的ENA使能端进行同步控制：当TSTEN高电平时允许计数、低电平时停止计数。
REG32B为锁存器。在信号Load的上升沿时，立即对模块的输入口的数据锁存到REG32B的内部，并由REG32B的输出端输出，然后，七段译码器可以译码输出。在这里使用了锁存器，好处是可以稳定显示数据，不会由于周期性的清零信号而不断闪烁。
CNT10为十进制计数器。有一时钟使能输入端ENA，用于锁定计数值。当高电平时允许计数，低电平时禁止计数。图2中将8个十进制计数器CNT10级联起来实现8 b十进制计数功能。
SEVYM为七段译码显示驱动电路，可以将频率计数的结果译成能在数码管上显示相对应的阿拉伯数字，便于读取测量的结果。
为了实现系统功能，测频控制信号发生器TESTCTL、计数器CNT10、锁存器REG32B存在一个工作时序的问题，设计时需要综合考虑。
图3给出了系统的工作时序。图3中CLK是由图1中脉冲发生器产生的频率为1 Hz的标准时钟信号，当测频控制信号发生器TESTCTL的TSTEN端为高电平时允许计数、低电平时停止计数，在停止计数期间，测频控制信号发生器TESTCTL的Load端产生一个上升沿，将计数器在前1 s的计数值锁存进32 b锁存器REG32B中，并由8个7段译码器将计数结果译出稳定显示。锁存信号之后经过半个CLK周期，测频控制信号发生器TESTCTL的CLR�_CNT端产生一个上升沿，对计数器进行清零。为下1 s的计数操作做准备。
为了产生这个时序图，首先有一个D触发器构成二分频器，在每次时钟CLK的上升沿到来使其值翻转。D触发器的输出高电平正好是1 s，因此可以作为测频控制信号发生器TESTCTL的TSTEN端，用来控制计数。而Load信号正好是TSTEN端信号的翻转。在计数结束后半个CLK周期，CLK与TSTEN都为低电平，这时CLR�_CNT产生一个上升沿作为清零信号。�

3.2各模块的VHDL源程序
采用VHDL描述数字频率计的电路时，根据图2所示的数字频率计系统顶层电路图，按照自顶向下的设计思路，编写各个模块的VHDL源程序，最后再对各个模块进行组合，编写顶层描述的VHDL源程序，由于篇幅所限，本文仅介绍数字频率计顶层描述的源程序，各个模块的VHDL源程序编写较为简单，可以根据各自的功能，相应地写出。
8位数字频率计的顶层描述VHDL源程序为：

4系统的功能仿真
Lattice公司推出的Isp Expert的数字系统设计软件，是一套完整的EDA软件，能够对所设计的数字电子系统进行时序仿真和功能仿真。
采用Lattice公司推出的Isp Expert EDA软件，对所编写数字频率计VHDL源程序进行编译、逻辑综合，自动地把VHDL描述转变为门级电路。然后进行波形仿真，编写的仿真测试向量文件如下（为仿真简单起见，测试一个66 Hz的周期信号）：

仿真后得到的波形图如图4所示，从仿真波形上看测量的结果是准确的。还可以进一步修改测试向量文件，进行波形仿真。最后通过编程电缆，将所设计的内容下载到CPLD器件中，进行实物仿真。�

5结语
本文介绍了使用VHDL语言设计数字频率计的方法，并下载到CPLD中组成实际电路，这样可以简化硬件的开发和制造过程，而且使硬件体积大大缩小，并提高了系统的可靠性。同时在基本电路模块基础上，不必修改硬件电路，通过修改VHDL源程序，增加一些新功能，满足不同用户的需要，实现数字系统硬件的软件化。

『叁』 如何提高射频测试仪器的射频测量技术

一、射频信号源的选择
所有的射频信号源都能产生连续（CW）射频正弦波信号。某些信号发生器也能够产生模拟调制射频信号（如AM信号或脉冲射频信号），矢量信号发生器采用IQ调制器产生各种模拟或数字调制信号。

射频信号源进一步可以分成很多种，包括固定频率CW正弦波输出源、扫描输出一个频段非固定频率CW正弦波的扫频源、模拟信号发生器以及增加模拟和数字调制功能的矢量信号发生器。

如果测试需要激励信号，那么就需要射频信号源。射频信号源的关键指标是频率与幅值范围、幅值精度和调制质量（对于产生调制信号的信号源而言）。频率调谐速度和幅值稳定时间对于减少测试时间也是非常关键的。

矢量信号发生器是一种高性能的信号源，通常结合任意波形发生器一起产生某些调制信号。通过任意波形发生器可以使矢量信号发生器产生任意类型的模拟或数字调制信号。这种发生器可以在内部产生多种基带波形，在某些情况下，也可以在外部产生某种基带波形然后载入到仪器中。如果测试规范要求被测的元件、设备或系统按照待测设备最终使用中的处理调制方式进行测试，那么这种情况下通常需要使用矢量信号发生器。

如果测试规范需要进行接收器灵敏度测试、误码率测试、相邻信道抑制、双音互调抑制、或双音互调失真的测试，那么也需要使用射频信号源。双音互调测试和相邻信道抑制测试需要两个信号源，接收器灵敏度测试和/或误码率测试只需要使用一个射频信号源。

如果待测器件是用于移动电话的，那么测试者可能要根据移动电话标准的需要进行调制信号类型的测试。移动电话功率放大器需要结合调制信号源（例如矢量信号发生器）进行测试。在选择某种矢量信号发生器之前，要评估一下该信号发生器在不同调制信号之间的切换速度，以确保其能够提供最快的测试时间。

二、射频功率计——射频领域的数字万用表
功率是射频领域中最经常被测量的一个量。测量功率最简单的方法就是使用功率计，它实际上是用来测量射频信号功率的。功率计中使用宽带检波器，按瓦特、dBm、或者dBμV显示绝对功率的大小。对于大多数功率计而言，宽带检波器（或传感器）是一个射频肖特基二极管或者二极管网络，实现射频到直流的转换处理。

功率计是所有测量功率的射频仪器中最准确的。高端功率计（通常需要一个外部功率传感器）可以实现0.1dB或更高的测量精度。功率计最低可以测量-70dBm（100pW）的功率。传感器有各种模型，从高功率模型、高频率（40GHz）模型，到峰值功率测量的高带宽模型等。

功率计有单通道和双通道两种。每个通道都需要配置自己的传感器。两个通道的功率计就能够测量出一个器件、电路或系统的输入和输出功率，并计算出增益或损耗。某些功率计能够达到每秒200到1500次读数的测量速度。而有些功率计能够测量多种信号的峰值功率特性，包括通信和某些应用中使用的调制信号和脉冲射频信号。双通道的功率计还能够准确测量出相对功率。功率计还可以针对便携式应用的需要设计成尺寸精巧的外形，使其更适合于现场测试的需要。功率计的主要局限在于其幅值测量范围。频率范围是与测量量程之间进行折衷的。此外，功率计虽然能够非常准确地测量出功率，但是无法表示信号的频率分量。

三、射频频谱或射频信号分析仪——射频工程师的示波器
频谱或矢量信号分析仪利用窄带检测技术在频域内测量射频信号。其主要的输出显示是功率频谱与频率之间的关系，包括绝对功率和相对功率。这种分析仪还可以输出解调信号。

频谱分析仪和矢量信号分析仪没有像功率计那样的精确性，但是，射频分析仪中使用的窄带检测技术使其能够测量低达-150dBm的功率。射频分析仪的精度一般在±0.5dB以上。

频谱和矢量信号分析仪可以测量的信号频率从1kHz到40GHz（甚至以上）。频率范围越宽，分析仪的成本就越大。最常见的分析仪的频率达到3GHz。工作在5.8GHz频率范围的新通信标准就需要带宽为6GHz以上的分析仪。

矢量信号分析仪是增加了信号处理功能的频谱分析仪，它不仅能够测量信号的幅值，而且能够将信号分解成它的同相和正交分量。矢量信号分析仪可以将某些调制信号进行解调，例如一些由移动电话、无线LAN设备和基于其他一些新通信标准的设备所产生的调制信号。矢量信号分析仪可以显示星座图、码域图和调制质量（例如误差矢量幅度）的计算度量。

传统的频谱分析仪是扫描-调谐式设备，因为其中的局部振荡器要扫描一个频率范围，窄带滤波器就可以获取该频率范围内每个单位频率上的功率分量。矢量信号分析仪也扫描一部分频谱，但是它们捕捉一定宽带内的数据进行快速傅立叶变换得到单位频率上的功率分量。因此矢量信号分析仪扫描频谱的速度比频谱分析仪快得多。

评价矢量信号分析仪性能的关键指标在于它的测量带宽。一些新的高带宽通信标准，例如WLAN和WiMax，需要捕捉带宽为20MHz的信号。要想捕捉并分析这些信号，分析仪必须具有足够大的带宽才能捕捉到整个信号。如果测试高带宽、数字调制的信号，那么要确保分析仪的测量带宽能够充分捕捉到所测的信号。

频谱分析仪可以用于检验待测发射机是否产生了正确的功率频谱。如果设计工程要求测试某些失真分量，例如谐波或寄生信号，那么就需要采用频谱分析仪或矢量信号分析仪。类似的，如果设计者关注器件的噪声功率，那么也需要使用这样的射频分析仪。其他一些需要频谱分析仪或矢量信号分析仪的例子包括：测试互调失真、三阶截断、功率放大器或功率晶体管的1dB增益压缩、器件的频率响应等。

测试那些涉及数字调制信号的发射机或放大器就需要使用矢量信号分析仪，对调制信号进行解调。矢量信号分析仪能够测量出某个器件产生了多大的调制失真。解调过程是一个复杂、计算密集的过程。能够快速进行解调和测量计算操作的矢量信号分析仪就可以大大缩短测试时间，降低测试成本。

四、网络分析仪
除了频谱分析仪和矢量信号分析仪，第三类分析仪就是网络分析仪。网络分析仪包含一个内置的射频信号源和一个测试射频器件的宽带（或窄带）探测器。网络分析仪以x-y坐标、极坐标或史密斯圆图的形式输出显式器件的特性。

从本质上来看，网络分析仪测量的是器件的S参数。矢量网络分析仪可以提供幅值和相位信息，可以以很高的精度判断这些器件在某个宽频段上的传输损耗与增益。通过矢量网络分析仪，还可以测量出回波损耗（反射系数）和阻抗匹配，进行相位测量和群延迟测量。

网路分析仪主要用于分析诸如滤波器和放大器之类的元件。值得注意的是，网络分析采用的是未经调制的连续波，分析仪的校准十分重要。利用制造商提供的校准工具包可以实现网络分析仪的校准。由于网络分析仪在一台仪器内集成了信号源和测量功能，而且分析仪具有较宽的频率范围，因此这类仪器的价格比较昂贵。

有时需要同时使用上述四种主要的射频测试仪器，例如功率放大器（PA）的测试。信号源可以提供输入信号，功率计或频谱分析仪可以测量输出功率。如果精度非常重要，比如在测量最大功率时，就需要使用功率计进行输出测量。PA的输入匹配对于从事射频发射器的设计者来说是一个关键参数。放大所有供给PA的功率，不因反射而损耗实际的功率，这是非常重要的。因此，PA制造商一般会使用网络分析仪测量PA的回波损耗（即S11）。

『肆』 简易数字频率计的设计

频率测量的方法常用的有测频法和测周法两种。

测频法的基本思想是让计数器在闸门信号的控制下计数1秒时间，计数结果是1秒内被测信号的周期数，即被测信号的频率。若被测信号不是矩形脉冲，则应先变换成同频率的矩形脉冲。测频法的原理框图如图所示。

图中，秒脉冲作为闸门信号，当其为高电平时，计数器计数；低电平时，计数器停止计数。显然，在同样的闸门信号作用下，被测信号的频率越高，测量误差越小。当被测频率一定时，闸门信号高电平的时间越长，测量误差越小。但是闸门信号周期越长，测量的响应时间也越长。

2、当被测信号频率较低时，为保证测量精度，常采用测周法。即先测出被测信号的周期，再换算成频率。测周法的实质是把被测信号作为闸门信号。

在它的高电平的时间内，用一个标准频率的信号源作为计数器的时钟脉冲。若计数结果为N，标准信号频率为f1，则被测信号的周期为：T = T1·N。被测信号的频率为：f = 1/T1·N = f1/N。

利用测周法所产生的最大绝对误差，显然也等于±1个标准信号周期。如果被测信号周期的真值为T真= T1·N，则T测= T1·（N±1）σmax= （f测-f真）/ f真= T真/T测 – 1=±1/（N±1）由上式可知，对于一定的被测信号，标准信号的频率越高，则N的值越大，因而相对误差越小。

3、低频段的测量，鉴于上述困难，对于低频信号，为了达到规定的精度，要采取一些比较特殊的方法。例如，可考虑将被测信号倍频后再用测频法测量。

或将闸门信号展宽。由于倍频电路比较复杂，所以一般采用后一种方法，实际上闸门信号展宽与被测信号倍频在效果上是相同的。

闸门信号展宽比较容易做到，例如采用分频电路就可以实现。若闸门信号高电平时间从1秒展宽到10秒，则相对误差可以按比例下降，但响应时间也增大相同的比例。

4、显示方式：共用右边四个数码管，左三个显示数据，最右端一个显示单位，为0时单位为Hz，为1时单位为Khz

5、代码：

//#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; //设置内部振荡器为24MHZ

OSCICN|=0x01; //内部振荡器4分频

}

void port_init()

{

P0SKIP=0x00; //跳过P0.0做INT0.P0.1做INT1(P0.6,P0.7模拟输出不跳)

P1SKIP=0x00; //跳过P1.2，P1.3，P1.4

XBR0=0x00; //交叉开关使能UART0

XBR1=0x60; //打开交叉开关

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

P0MDIN=0xFF; //数字输入

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