基于FPGA的數(shù)字頻率計設(shè)計

北方工業(yè)大學(xué)　王亞峰　陳　昊　張　軍

基于FPGA的數(shù)字頻率計設(shè)計

北方工業(yè)大學(xué)王亞峰陳昊張軍

本設(shè)計采用的測頻技術(shù)是相檢寬帶測頻技術(shù)，這種測量方法消除了傳統(tǒng)測頻、測時儀器存在的±1個數(shù)的計數(shù)誤差，測量精度較傳統(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現(xiàn)。

相檢寬帶測頻技術(shù)；FPGA；MCU

1　總體設(shè)計

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

隨著被測信號的頻率升高，儀器的相移分辨力會逐漸減小，因此在本設(shè)計中，為增加儀器的測量范圍，當(dāng)被測信號頻率較高時，信號會通過分頻電路進行分頻。被測信號分為兩種進行處理：當(dāng)被測信號頻率低于標(biāo)頻頻率時，信號將首先進行放大整形，之后74LS153雙向電子開關(guān)生成信號并送入FLEX 10K芯片中；當(dāng)被測信號頻率高于標(biāo)頻頻率時，信號將接入mb506進行分頻與整形，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)頻信號和被測信號進入FLEX 10K芯片，經(jīng)芯片內(nèi)部的相位重合點脈沖產(chǎn)生電路，產(chǎn)生兩路信號的最小公倍數(shù)周期和最大公因子頻率，即產(chǎn)生相位重合。

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

2　硬件設(shè)計

2.1阻抗切換電路設(shè)計

通過電容和繼電器調(diào)節(jié)輸入阻抗以實現(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　同步計數(shù)

本文所采用的相檢寬帶測頻技術(shù)是一種新型的信號檢測技術(shù)，是基于相位重合點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周期性信號的相位重合點和參考門信號產(chǎn)生新的閘門信號，此閘門信號的時間長度與參考閘門時間的長度基本一致。我們注意到此閘門信號終止時刻和閘門信號起始時刻嚴(yán)格對應(yīng)于兩個相位重合點，如果用利用這種閘門時間，進行信號頻率的測量，可以避免一半頻率測量儀器工作中存在的士1的計數(shù)誤差，使頻率測量精度大大提高。

圖4

圖4所示為閘門產(chǎn)生波形，在實際閘門時間里分別對標(biāo)頻及被測信號計數(shù)，設(shè)得到的計數(shù)值分別為N0和NX，則被測信號的頻率值為：

4　結(jié)語

本設(shè)計采用了相檢寬帶測頻技術(shù)，巧妙地把高測量精度和寬測量范圍結(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較高的高穩(wěn)壓控晶振情況下，保證儀器的測量精度。本文中的技術(shù)部分和重合點計算都是在FPGA芯片內(nèi)部編程實現(xiàn)，在降低了系統(tǒng)復(fù)雜程度和成本的同時，提高了系統(tǒng)可靠性。

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