北方工業(yè)大學(xué)　王亞峰　陳　昊　張　軍

基于FPGA的數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì)

北方工業(yè)大學(xué)王亞峰陳昊張軍

本設(shè)計(jì)采用的測(cè)頻技術(shù)是相檢寬帶測(cè)頻技術(shù)，這種測(cè)量方法消除了傳統(tǒng)測(cè)頻、測(cè)時(shí)儀器存在的±1個(gè)數(shù)的計(jì)數(shù)誤差，測(cè)量精度較傳統(tǒng)儀器顯著提高，具有很廣闊的應(yīng)用前景。本文詳述了該技術(shù)的基本原理和具體實(shí)現(xiàn)。

相檢寬帶測(cè)頻技術(shù)；FPGA；MCU

1　總體設(shè)計(jì)

被測(cè)信號(hào)通過阻抗變換模塊進(jìn)行阻抗匹配，經(jīng)過高/低濾波器切換，使得高頻信號(hào)通過高頻濾波器，低頻信號(hào)通過低頻濾波器。而后低頻信號(hào)和高頻信號(hào)分別在對(duì)應(yīng)的放大電路上進(jìn)行信號(hào)放大，放大后的信號(hào)經(jīng)過高頻比較和方波整形得到可測(cè)方波，期間高/低濾波器切換由FPGA進(jìn)行控制。

隨著被測(cè)信號(hào)的頻率升高，儀器的相移分辨力會(huì)逐漸減小，因此在本設(shè)計(jì)中，為增加儀器的測(cè)量范圍，當(dāng)被測(cè)信號(hào)頻率較高時(shí)，信號(hào)會(huì)通過分頻電路進(jìn)行分頻。被測(cè)信號(hào)分為兩種進(jìn)行處理：當(dāng)被測(cè)信號(hào)頻率低于標(biāo)頻頻率時(shí)，信號(hào)將首先進(jìn)行放大整形，之后74LS153雙向電子開關(guān)生成信號(hào)并送入FLEX 10K芯片中；當(dāng)被測(cè)信號(hào)頻率高于標(biāo)頻頻率時(shí)，信號(hào)將接入mb506進(jìn)行分頻與整形，而后經(jīng)由雙向電子開關(guān)74LS153，最后輸入到FLEX 10K中，這里采用的分頻是64分頻。隨后標(biāo)頻信號(hào)和被測(cè)信號(hào)進(jìn)入FLEX 10K芯片，經(jīng)芯片內(nèi)部的相位重合點(diǎn)脈沖產(chǎn)生電路，產(chǎn)生兩路信號(hào)的最小公倍數(shù)周期和最大公因子頻率，即產(chǎn)生相位重合。

由標(biāo)頻信號(hào)和被測(cè)信號(hào)相互作用產(chǎn)生的最小公倍數(shù)周期信號(hào)和STM32單片機(jī)中預(yù)先設(shè)置的參考門信號(hào)同時(shí)由FLEX 10K自帶的D觸發(fā)器的CP端輸入，實(shí)際測(cè)量閘門時(shí)間信號(hào)將在D觸發(fā)器的輸出端產(chǎn)生，并用此閘門信號(hào)來控制計(jì)數(shù)器的開啟和關(guān)閉，隨后單片機(jī)通過存儲(chǔ)和計(jì)算計(jì)數(shù)器在一次測(cè)量周期里所計(jì)的數(shù)，得出被測(cè)信號(hào)頻率。計(jì)算結(jié)果交由LCD液晶顯示屏顯示。本設(shè)計(jì)中的實(shí)際測(cè)量門，嚴(yán)格容納了標(biāo)頻的整數(shù)倍和被測(cè)信號(hào)的最小公倍數(shù)周期，而且此處的最小公倍數(shù)周期又嚴(yán)格容納了品表信號(hào)的整數(shù)倍和被測(cè)出信號(hào)周期。因此在得到實(shí)際測(cè)量門時(shí)間時(shí)，消除了技術(shù)誤差，保證了測(cè)量了準(zhǔn)確性?？傮w設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

2　硬件設(shè)計(jì)

2.1阻抗切換電路設(shè)計(jì)

通過電容和繼電器調(diào)節(jié)輸入阻抗以實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。電路如圖2所示。

圖2　電路圖

2.2高頻比較電路

高頻比較電路采用AD96687比較器，電路如圖3所示。

圖3　高頻比較電路

3　同步計(jì)數(shù)

本文所采用的相檢寬帶測(cè)頻技術(shù)是一種新型的信號(hào)檢測(cè)技術(shù)，是基于相位重合點(diǎn)和最大公因子頻率等概念逐漸發(fā)展而來。其基本原理是利用兩個(gè)周期性信號(hào)的相位重合點(diǎn)和參考門信號(hào)產(chǎn)生新的閘門信號(hào)，此閘門信號(hào)的時(shí)間長(zhǎng)度與參考閘門時(shí)間的長(zhǎng)度基本一致。我們注意到此閘門信號(hào)終止時(shí)刻和閘門信號(hào)起始時(shí)刻嚴(yán)格對(duì)應(yīng)于兩個(gè)相位重合點(diǎn)，如果用利用這種閘門時(shí)間，進(jìn)行信號(hào)頻率的測(cè)量，可以避免一半頻率測(cè)量?jī)x器工作中存在的士1的計(jì)數(shù)誤差，使頻率測(cè)量精度大大提高。

圖4

圖4所示為閘門產(chǎn)生波形，在實(shí)際閘門時(shí)間里分別對(duì)標(biāo)頻及被測(cè)信號(hào)計(jì)數(shù)，設(shè)得到的計(jì)數(shù)值分別為N0和NX，則被測(cè)信號(hào)的頻率值為：

4　結(jié)語

本設(shè)計(jì)采用了相檢寬帶測(cè)頻技術(shù)，巧妙地把高測(cè)量精度和寬測(cè)量范圍結(jié)合在一起。另外本文采用的頻率標(biāo)準(zhǔn)是內(nèi)置高穩(wěn)壓控晶振，相對(duì)傳統(tǒng)儀器的外接原子頻標(biāo)，成本大大降低。另外考慮帶儀器的老化問題，本文增加了標(biāo)頻校準(zhǔn)功能，保證了在使用老化率相對(duì)較高的高穩(wěn)壓控晶振情況下，保證儀器的測(cè)量精度。本文中的技術(shù)部分和重合點(diǎn)計(jì)算都是在FPGA芯片內(nèi)部編程實(shí)現(xiàn)，在降低了系統(tǒng)復(fù)雜程度和成本的同時(shí)，提高了系統(tǒng)可靠性。

［1］朱新華，楊潤(rùn)生，等.基于ARM的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)［N］.電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2008.

［2］ALAN V.OPPENHEIM.信號(hào)與系統(tǒng)［M］.西安：西安交通大學(xué)出版社，1997.

［3］元秋奇.數(shù)字圖像處理學(xué)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2000.

［4］吳運(yùn)昌.模擬電子線路基礎(chǔ)［M］.廣州：華南理工大學(xué)出版社，2004.

［5］閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京：高等教育出版社，1997.

［6］張曉麗.數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.