摘 要：为解决计算机测试系统中频率测试的高精度要求，提出了一种基于FPGA技术的多通道等精度测频法。设计了频率测试系统，该系统实现了在5 kHz～500 kHz频率范围内测量分辨率为1 Hz。
关键词：FPGA；计算机测试系统；频率测试；等精度测频法
随着计算机技术的快速发展，现代工业测试系统中频率测试被更多地应用到计算机测试应用中，虽然现在频率测试精度有了很大提高，但面对高、精、尖的控制系统尤其是具有特殊用途的传感器中就更加需要准确、高效、科学地获取并分析其频率测试数据。在测试频率的方法上，人们也越来越多地侧重采用等精度测频法进行频率测试。
为了克服传统频率测量法不能满足等精度要求的缺点，夏振华提出一种基于FPGA的高速等精度频率测量系统的设计方案，该系统实现了1 Hz~20 MHz频率范围内的频率测量，其测量误差小于2×10-6，并且在整个频率范围内测量精度一致，达到等精度测量要求[1]。席鹏、李军等介绍了以CPLD为核心处理芯片的频率测量系统，在CPLD中设计等精度测频模块，再由DSP进行数字滤波并将采集值送至双口RAM以供上位机读取。由于采用两个同步测周期的计数器来设计数字频率计，解决了传统频率计电路结构复杂、稳定性不能保证的缺点[2]。频率测量一般是通过对被测信号和标准信号计数实现，因此量化误差是引起测量误差的主要原因。戴莹春、严家明、刘诗斌等在比较分析周期测频、直接测频和等精度测频的误差后，给出了一种基于FPGA的等精度测频的Verilog HDL实现。较之单片机实现，该方法具有抗干扰性强、工作稳定可靠等特点[3]。包明、赵明福、郭建华等采用FPGA为核心的芯片来实现频率测量，不仅消除了直接测频方法中对测量频率需要采用分段测试的局限，而且提高了集成度、可靠性和测试速度[4]。
本文正是通过采用等精度测量方法结合FPGA技术和计算机技术实现了某型号传感器频率测试系统的多通道高精度测试，使得频率信号在5 kHz～500 kHz频率范围内测量分辨率达到1 Hz的高精度要求，且其相对误差小于2×10-7。
1 系统结构设计
频率测试系统硬件主要由工业控制计算机、频率测量数据采集卡、频率测试软件以及被测设备等组成，系统总原理框图如图1所示。
工业控制计算机机箱内部装有频率测量数据采集卡，可以实现扫频信号的输出和频率信号的采集，其主要由FPGA、UART、D/A模块、信号处理电路和信号调理电路构成。UART采用串行通信，实现计算机与FPGA之间控制信号和数据的传输。D/A模块由FPGA控制输出，采用12 bit高速并行D/A转换器件。信号处理对输入的频率信号经过隔离保护、整形、限幅等处理。信号调理对D/A输出的信号进行滤波处理。
2 频率测量数据采集卡设计
FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。本文采用等精度测频法，频率测量数据采集卡中FPGA部分基本设计原理方框图如图2所示。
“频率”就是周期性信号在单位时间（1 s）内变化的次数。等精度测频是先给出一个预置阀门时间，实际阀门时间不固定，而是在被测信号上跳沿与预置阀门同步，它的闸门时间不是固定的值，而是被测信号周期的整数倍，即与被测信号同步，因此，排除了对被测信号计数所产生±1 Hz误差，并且达到了在整个测试频段的等精度测量。在测量过程中，有两个计数器分别对标准信号和被测信号同时计数。测量频率的相对误差与被测信号频率的大小无关，仅与闸门时间和标准信号频率有关，即实现了整个测试频段的等精度测量。闸门时间越长，标准频率越高，测频的相对误差就越小。标准频率可由稳定度好、精度高的高频率晶体振荡器产生，在保证测量精度不变的前提下，提高标准信号频率，可使闸门时间缩短，即提高测试速度。
K为预设定（可修改）的参数，为电压/频率转换系数，单位：V/Hz。
3 软件实现结果验证
测试系统软件部分包括FPGA和计算机测试软件两部分，它可以实现传感器频率多通道自动测试。启动传感器频率测试系统对5 kHz～500 kHz的的频率信号进行频率测量。
采用高精度信号源输出不同频率的正弦波信号，经过信号调理电路，整形得到的方波信号提供给FPGA进行计数测量，将测量结果与高精度信号源输出的频率相比较，计算其误差，如表1所示。
传感器频率多通道自动测试软件实现了5 kHz～500 kHz频率范围内的频率测试，其输出精度为±1 Hz、相对误差小于2×10-7，结果验证了数据完全满足系统对频率测试要求，测试数据安全可靠，系统运行稳定。满足了频率测量的高精度要求、有效地提高了频率测试速度、实现了多通道频率测量要求。
参考文献
[1] 夏振华.等精度频率计的实现[J].电子设计工程，2010，18（6）：177-182.
[2] 席鹏，李军，于二军.基于DSP和CPLD的高精度频率测量系统设计[J].航空计算技术，2010，40（2）：114-116，3.
[3] 戴莹春，严家明，刘诗斌，等.基于FPGA的等精度测频模块的研究与实现[J].弹箭与制导学报，2006，26（1）：623-625.
[4] 包明，赵明福，郭建华.基于FPGA的高速精度频率测量的研究[J].单片机与嵌入式系统应用，2003（2）：134-137.