使用SPCE061A单片机实现高精度测频

     介绍应用SPCE061A单片机实现高精度、等精度测频的原理及方法。利用16位定时/计数器TCA、TCB在同步门内分别对频标fS、被测频率fX计数，实现了等精度测频，由于选择TCA时钟源A的最高频率作为频标，显著提高了测频精度。应用时基信号发生器的4Hz信号中断源设置了预置门，应用选频逻辑TMB1中断源实现了显示器的定时刷新。该测频系统具有测频精度高、测频范围可扩展等优点。

1  引言

    凌阳16位单片机SPCE061A以其显著的特点：高速数据运算能力，强大的中断处理能力，多种省电模式，功能完善的内部配置，方便的在线实时调试能力，被广泛应用于电子仪器仪表、工业控制、通信、信号处理等领域。本文介绍应用SPCE061A单片机强大的时钟系统、时基系统、定时/计数器功能、中断系统，实现等精度、高精度测频的原理及方法。

2  测频原理及精度分析

2．1  等精度测频原理

    测频原理图如图1所示，由同步门信号产生电路D触发器及SPCE061A单片机中16位可预置

图1  等精度测频原理图

定时/计数器TCA、TCB，系统时钟电路，时基信号发生器，中断系统等组成。定时计数器TCA的时钟源由时钟源A和时钟源B进行与 *** 作形成，时钟源A的可选输入为：fOSC/2、fOSC/256、32768Hz、8192Hz、4096Hz、1、0、EXT1。时钟源B的可选输入为：2048Hz、1024Hz、256Hz、TMB1、4Hz、2Hz、1、EXT2。TCB的时钟源仅为时钟源A（它与TCA的时钟源A的输入完全相同），TCA、TCB按照可重预置加法计数器方式工作。

    原理电路中，uQ为同步门（信号），uD为预置门（信号）。定时/计数器TCA用于对频标fS计数，为了提高测频精度，fS选为最高频率：fS=fOSC/2=49.152/2=24.576MHz。TCA设置为时钟源A选择fS=fOSC/2，时钟源B选择外部时钟EXT2，由时钟源B输出的同步门信号控制时钟源A送出fS。定时/计数器TCB的时钟源A设置为选择外部时钟源EXT1，用于对同步门内的fX计数。时基信号发生器的4Hz时基信号用于设置预置门时间，当它产生4次中断时预置1s时间到，选频信号TMB1的64Hz时基信号，用作显示器刷新中断源，刷新间隔为15.6ms。

    测频开始时，先使D触发器清零，uQ=0，TCA、TCB预置初值0x0000，然后使IOB12=1，预置门信号到来，uD=1。在其后第1个fX脉冲上升沿FD置1，uQ=1，同步门信号到来，定时/计数器TCA开始对频标fS计数，TCB开始对被测频率fX计数。同时使4Hz时基信号开始工作，当它提出4次定时中断时，预置1s时间到，使IOB12=0，关闭预置门。在其后第1个fX脉冲上升沿FD置0，关闭同步门，TCA、TCB同时停止计数。如图2所示。若TCA、TCB在同步门内的计数值分别为NS、NX，则被测频率fX为

                                     

2.2  测频精度分析

    在本测频方案中，由于被测频率fX与同步门信号uQ完全同步，因此TCA对fX的计数没有量化误差（±1误差），而fS与同步门信号uQ没有同步关系，故TCB对fS的计数有量化误差存在，其相对量化误差为

                      

    其中T1、T2分别为预置门时间、同步门时间，TS为频标信号周期。由（3）式知，在频标fS、预置门时间T1给定后，|δ1m|为一常数，而与被测频率fX无任何关系。因此，在同一预置门内实现了等精度测频。本方案的测频误差主要由两项构成：TCA对fS计数的相对量化误差δ1，由（3）式知，当T1=1s时，因TS=4.069×10-8μs,故|δ1m|=4.069×10-8；另一项测频误差δ2由频标信号的准确度引起，它与石英晶体的频率稳定度有关，通常|δ2|可以小于10-11，因此，总测频误差|δ|≤|δ1m|+|δ2|≈4.069×10-8。

3  软件流程

3．1  主程序流程

  主程序主要完成预置门时间的选择及测频系统各部件的初始化设置。主程序流程如图3所示，通过IOA口扫描键盘，以确定欲设置的预置门时间。对各部件初始化设置如下：D触发器FD的初始化；使IOB11端输出负脉冲，Q端置0；定时/计数器TCA、TCB的初始化；通过编程定时器控制字，使TCA的时钟源A选择频标信号fS=fOSC/2=24.576MHz，时钟源B选择外部时钟EXT2。TCB的时钟源A选择外部时钟EXT1，TCA、TCB的预置值均为0x0000。由于本测频系统最大预置门时间为10s，在10s内，TCA对频标信号的计数值为NS=10s×fS=24.576×107，而TCA的最大计数值为216=65536，因此，需要一软件计数器STA，又因10s内TCA的溢出次数为24.576×107/216=3750，因此只需要一个存贮单元的软件计数器。类似TCB在10S内对被测频率fX的计数也需要一个存贮单元软件计数器STB。置STA（0x0010）、STB（0x0011）的初值为0x0000。与时基计数器有关的初始化：本测频方案使用4Hz时基信号中断源实现预置门时间的设置。4Hz时基信号开始工作时需要时基计数器清零，同时，计录4Hz时基信号的中断次数需要一个存贮单元的软件计数器ST4，当预置门时间为1s时，ST4（0x0012）的初值为0x0004。

图3  主程序流程图

3．2  4Hz时基信号中断服务功能

   测频系统中，对预置门时间的控制及测频结果的计算都在4Hz时基信号中断服务中完成。进入中断服务时，将4Hz软件计数器ST4减1，若减1后ST4为0，说明定时1s到，关闭预置门，uD=0，然后等待同步门uQ关闭，在同步门关闭后（uQ=0），读取TCA、TCB的计数值NA1、NB1，NA1与软件计数器STA计数值NA2组成了在同步门期间对fS的总计数值NS。类似，TCB的计数值NB1与软件计数值STB的计数值NB2组成了在同步门期间对fX的总计数值NX。然后计算对fX的测量结果，fX=NXfS/NS，并转换为ANSCII码后存入显示缓冲区（0x0020-0x0028）。在中断返回前，需要打开预置门，置4Hz软件计数器ST4初值为0x0004，置时基计数器初值为零。

   上述讨论测频系统的原理时，假设预置门时间为1s，若预置门时间取最大值10s，则相应的4Hz软件计数器ST4的初值为0x0028，测频精度为│δ│≤4.069×10-9。本方案的直接测频最大值为fX=24.576MHz，若给输入端增加分频器（分频系数N=40），则可测量的最大频率为1000MHz。本方案的显著特点是测频精度高，当预置门时间为1s、10s时，测频误差分别小于4.069×10-8,4.069×10-9，且在同一预置门时间内对不同频率实现了等精度测量。

    本文作者创新点：通过4Hz时基信号中断源与D触发器的配合产生了同步门信号，通过同步门信号对定时/计数器TCA、TCB的控制，实现了对被测频率fx的等精度测量，通过选择TCA时钟源A的最高频率作为频标，显著提高了测频精度。应用选频逻辑TMB1中断源实现了显示器的定时刷新，设计的测频系统具有测频精度高、测频范围可扩展等优点。

参 考 文 献

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[2] 李殊骁等.基于可编程逻辑器件的等精度频率计[J].微计算机信息，2005.7：113-114

[3] 卢胜利.智能仪器设计与实现[M].重庆：重庆大学出版社，2003:112-167