基于FPGA的數(shù)字頻率計的設(shè)計

徐冬冬 閆嘉琪

摘要：本設(shè)計選用FPGA作為數(shù)據(jù)處理與系統(tǒng)控制的核心，制作了一款超高精度的數(shù)字頻率計，其優(yōu)點在于采用了自動增益控制電路（AGC）和等精度測量法。AGC電路可將不同頻率、不同幅度的待測信號，放大至基本相同的幅度，且高于后級滯回比較器的窗口電壓，有效解決了待測信號輸入電壓變化大、頻率范圍廣的問題。頻率等參數(shù)的測量采用閘門時間為1s的等精度測量法。閘門時間與待測信號同步，避免了對被測信號計數(shù)所產(chǎn)生±1個字的誤差，提高了系統(tǒng)精度。

關(guān)鍵詞：FPGA;超高精度數(shù)字盤頻率計;等精度測量法;自動增益控制電路

中圖分類號：TM935.13 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ?文章編號：1007-9416（2020）06-0000-00

0 引言

電子技術(shù)中，頻率是最基本的參數(shù)之一，且與許多電參量的測量方案、測量結(jié)果都有十分密切的關(guān)系。數(shù)字頻率計是電子測量與儀表技術(shù)最基礎(chǔ)的電子儀器之一，是計算機、通訊設(shè)備、音頻視頻等科研生產(chǎn)領(lǐng)域不可缺少的測量儀器。與傳統(tǒng)的頻率計相比，數(shù)字頻率計具有精度高、測量范圍大、可靠性好等優(yōu)點，是頻率測量的重要手段之一。

1 設(shè)計方案工作原理

1.1 系統(tǒng)方案

1.1.1 寬帶通道放大器

方案一：OPA690固定增益直接放大。由于待測信號頻率范圍廣，電壓范圍大，故選用寬帶運算放大器OPA69，5V雙電源供電，對所有待測信號進(jìn)行較大倍數(shù)的固定增益。對于輸入的正弦波信號，經(jīng)過OPA690的固定增益，小信號得到放大，大信號削頂失真，所以均可達(dá)到后級滯回比較器電路的窗口電壓。

方案二：基于VCA810的自動增益控制（AGC）。AGC電路實時調(diào)整高帶寬壓控運算放大器VCA810的增益控制電壓，通過負(fù)反饋使得放大后的信號幅度基本保持恒定。

盡管方案一中的OPA690是高速放大器，但是單級增益僅能滿足本題基本部分的要求，而在放大高頻段的小信號時，增益帶寬積的限制使得該方案無法達(dá)到發(fā)揮部分在頻率和幅度上的要求[1]。

方案二中采用VCA810與OPA690級聯(lián)放大，并通過外圍負(fù)反饋電路實現(xiàn)自動增益控制。該方案不僅能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定可調(diào)的輸出電壓，而且可以解決高頻小信號單級放大時的帶寬問題。故采用基于VCA810的自動增益控制方案。

1.1.2 脈沖整形電路

因為輸入脈沖信號幅度值不固定，當(dāng)幅值較小時無法進(jìn)入FPGA進(jìn)行頻率的測量，故采用軌至軌高速比較器TLV3501，響應(yīng)時間為4.5ns，輸出高電平5V，輸出低電平0V，這樣無需AGC放大即可進(jìn)入FPGA進(jìn)行頻率測量。

1.1.3 主控電路

方案一：采用諸如MSP430、STM32等傳統(tǒng)單片機作為主控芯片。單片機在現(xiàn)實中與FPGA連接，建立并口通信，完成命令與數(shù)據(jù)的傳輸。

方案二：在FPGA內(nèi)部利用邏輯單元搭建片內(nèi)單片機Avalon，在片內(nèi)將單片機和測量參數(shù)的數(shù)字電路系統(tǒng)連接，不連接外部接線[2]。

在硬件電路上，用FPGA片內(nèi)單片機，除了輸入和輸出顯示等少數(shù)電路外，其它大部分電路都可以集成在一片F(xiàn)PGA芯片中，大大降低了電路的復(fù)雜程度、減小了體積、電路工作也更加可靠和穩(wěn)定，速度也大為提高。且在數(shù)據(jù)傳輸上簡單方便，故主控電路的選擇采用方案二。

1.1.4 參數(shù)測量方案

頻率等參數(shù)的測量采用閘門時間為1s的等精度測量法。閘門時間與待測信號同步，避免了對被測信號計數(shù)所產(chǎn)生+1個字的誤差，提高了系統(tǒng)精度。測量頻率時，在閘門時間內(nèi)同時對待測信號和標(biāo)準(zhǔn)信號（時鐘信號）計數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)信號計數(shù)值除以待測信號計數(shù)值乘上時鐘周期即為待測周期;測量兩個信號的時間間隔時，通過異或門將時間間隔轉(zhuǎn)化為周期脈沖信號，通過對脈沖信號等精度測量得到間隔時間[3]。

1.2 技術(shù)方案分析比較

系統(tǒng)總體工作流程為：待測信號首先進(jìn)入自動增益電路，其輸出電壓增益到一個大于后級滯回比較器窗口電壓的固定值，經(jīng)過比較器電路后，輸出給FPGA進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的測量，并最終顯示在屏幕上。在FPGA內(nèi)部，數(shù)字電路系統(tǒng)與片內(nèi)單片機通信，基于閘門時間為1s的等精度測量算法，測算相關(guān)參數(shù)[4]。

2 電路設(shè)計

2.1 寬帶通道放大器分析

寬帶通道放大器如圖1所示，是一個自動增益控制模塊。壓控放大器VCA810依靠反饋得到的控制電壓控制放大倍數(shù);高速比較器AD8561比較的是VCA810輸出信號和預(yù)設(shè)電壓，使用二極管和RC對比較器的輸出信號進(jìn)行檢波;TL082將檢波得到的電壓轉(zhuǎn)換至VCA810的控制電壓范圍內(nèi)，使得VCA810能夠正常工作; OPA690 起著二級放大與級聯(lián)緩沖的作用[5]。具體電路連接如圖1所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計分析

系統(tǒng)軟件流程圖如圖2所示。

4 結(jié)語

頻率計是電子測量中常用的儀器設(shè)備之一，本文在分析比較幾種常用的測頻方式的基礎(chǔ)上，根據(jù)AGC電路的優(yōu)點和特點，選擇用等精度測量法進(jìn)行數(shù)字頻率計的設(shè)計，利用FPGA設(shè)計數(shù)字頻率計，為提高檢測可靠性和效率奠定堅實的基礎(chǔ)。

與傳統(tǒng)方法相比，利用FPGA和AGC電路設(shè)計數(shù)字頻率計具有很多獨特的優(yōu)點：

（1）硬件以FPGA為主，只有很少的附件，縮小電路板的體積;

（2）AGC電路可以有效解決信號輸入電壓變化大，頻率范圍變化廣的問題;

（3）等精度測量法可以減少誤差，提高系統(tǒng)的精度。

參考文獻(xiàn)

[1]張永瑞電子測量技術(shù)基礎(chǔ)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2009.

[2]夏宇聞.Verilog數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計教程[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2013.

[3]劉凱，顧新.VHDL硬件描述語言與數(shù)字邏輯電路設(shè)[M]西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2009.

[4]岡村迪夫OP放大電路設(shè)計：從重視再現(xiàn)性設(shè)計的基礎(chǔ)到實際應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2004.

[5]Sergio，F(xiàn)ranco.基于運算放大器和模擬集成電路的電路設(shè)計[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，2004.

收稿日期：2020-04-20

作者簡介：徐冬冬（1981—），男，江蘇揚州人，博士研究生，研究方向：信號處理。