基于TMS320F240芯片頻率信號(hào)測(cè)量電路分析

李鳳梅

摘要：頻率測(cè)量是電路模擬信號(hào)測(cè)試主要部分，大多數(shù)的測(cè)試電路主要是對(duì)電壓、電流、頻率等物理量進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)控制器對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)的控制、反饋信號(hào)送至被測(cè)試對(duì)象，從而獲得被測(cè)試對(duì)象的工作狀態(tài)。目前測(cè)試電路物理量的方法較多，本文就針對(duì)一種基于TMS320F240芯片測(cè)量電路進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：TMS320F240;信號(hào)處理;測(cè)量電路

1 引言

目前電子產(chǎn)品需要測(cè)量的激勵(lì)信號(hào)主要有兩類(lèi)：一種為電壓信號(hào)，另一種為頻率信號(hào)。針對(duì)信號(hào)電壓范圍較寬、頻率高等特點(diǎn)，本文針對(duì)路采用TMS320F240芯片作為信號(hào)測(cè)量電路的核心的測(cè)量電路來(lái)闡述該設(shè)計(jì)理念能充分利用有限的測(cè)試資源滿(mǎn)足模擬系統(tǒng)測(cè)試信號(hào)完備性的要求，降低整個(gè)模擬系統(tǒng)的成本。

2 資源分析

測(cè)量電路采用TMS320F240實(shí)現(xiàn)信號(hào)測(cè)量需求，其性能如下：

（1）TMS320F240芯片內(nèi)部具有A/D轉(zhuǎn)換模塊，輸入范圍為0～3.3V，轉(zhuǎn)換速度也較快，F(xiàn)240系列芯片的轉(zhuǎn)換速度為375ns，滿(mǎn)足了測(cè)試響應(yīng)需求。

（2）TMS320F240芯片的I/O口可以作為輸入端用于判斷輸入電平（TTL電平）的高低。

（3）TMS320F240芯片的事件管理器中一共有四個(gè)捕獲單元，每個(gè)捕獲單元可以通過(guò)捕獲方波信號(hào)的兩個(gè)相鄰的上升（或下降）沿來(lái)測(cè)量信號(hào)的周期，所以頻率信號(hào)的測(cè)量可以利用DSP芯片的捕獲單元來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3 頻率測(cè)量電路設(shè)計(jì)

3.1 頻率測(cè)量方法分析

頻率的測(cè)量在電子測(cè)量領(lǐng)域中是最基本，有計(jì)數(shù)法和測(cè)周法兩種，它們適應(yīng)不同的頻率測(cè)量。

（1）計(jì)數(shù)法

計(jì)數(shù)法的測(cè)量原理是測(cè)出在一個(gè)固定的時(shí)間間隔T中所輸入的脈沖數(shù)N，根據(jù)頻率的計(jì)算方式為F= N /1'，得出信號(hào)的頻率。測(cè)量的相對(duì)誤差為I/N ×100。由此可見(jiàn)，當(dāng)頻率越高，也就是N越高，那么相對(duì)誤差就越小;反之，相對(duì)誤差就會(huì)越大。因此計(jì)數(shù)法的測(cè)量適合于高頻信號(hào)的測(cè)量。

（2）測(cè)周法

測(cè)周法的測(cè)量原理是以一個(gè)頻率為F0標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)作為基準(zhǔn)，測(cè)出一個(gè)周期內(nèi)輸入信號(hào)的脈沖個(gè)數(shù)N，那么它的頻率則為F=F0/N。由此可見(jiàn)，當(dāng)頻率越低，也就是周期越長(zhǎng)，N越高，那么相對(duì)誤差就越小;反之，相對(duì)誤差就會(huì)越大。因此計(jì)數(shù)法的測(cè)量適合于低頻信號(hào)的測(cè)量。

根據(jù)需求分析，系統(tǒng)需測(cè)量的頻率信號(hào)有兩種：一是交流電壓信號(hào)的頻率（1KHz左右）;二是方波信號(hào)（8～20Hz），輸入的頻率信號(hào)均為低頻信號(hào)。為了減少測(cè)量誤差，系統(tǒng)利用TMS320F240芯片的片內(nèi)資源通過(guò)測(cè)量信號(hào)周期的方法（測(cè)周法）來(lái)測(cè)量信號(hào)的頻率。

3.2 捕捉單元測(cè)量頻率的原理分析

捕獲單元測(cè)頻過(guò)程分為兩次捕捉，引腳CAPx被第一次捕捉到指定變化時(shí)，捕獲單元將捕捉所選用計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值在堆棧為空的條件下寫(xiě)入FIFO堆棧的上層寄存器。若第二次捕捉發(fā)生在第一次捕捉的值讀取之前，新捕捉的計(jì)數(shù)值則會(huì)被存儲(chǔ)至底層寄存器中。捕獲單元捕捉到計(jì)數(shù)值之后，對(duì)應(yīng)的中斷標(biāo)志位置被置1，若是外圍的中斷指令沒(méi)有被屏蔽，那么在捕捉計(jì)數(shù)值后會(huì)產(chǎn)生中斷外圍設(shè)備的請(qǐng)求。如果第一次捕捉設(shè)置了屏蔽中斷，那么將第二次捕捉設(shè)置為與第一次相同的捕捉跳變沿，并且開(kāi)中斷;然后響應(yīng)中斷，則在兩次捕捉對(duì)中斷的不同設(shè)置及響應(yīng)，讀出兩次捕捉數(shù)值。兩次捕捉的數(shù)值即為一個(gè)被測(cè)頻率周期的兩次計(jì)數(shù)。通過(guò)16位的FIFO狀態(tài)寄存器即可檢測(cè)到CAPFIFOA（或CAPFIFOB）堆棧中的數(shù)值個(gè)數(shù)。讀出堆棧中兩次存入的新舊捕獲值，就可以計(jì)算出一個(gè)周波內(nèi)的被準(zhǔn)頻脈沖數(shù)，從而得出被測(cè)周波的頻率。捕捉單元原理框圖如圖1所示。

3.3 頻率測(cè)量輔助電路分析

交流信號(hào)首先需要經(jīng)過(guò)分壓網(wǎng)絡(luò)和低通濾波進(jìn)行調(diào)理，然后通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)的切換。因?yàn)榇郎y(cè)正弦信號(hào)沒(méi)有明顯的下降沿和上升沿，所以需要通過(guò)一個(gè)滯回比較器將正弦信號(hào)轉(zhuǎn)變成矩形波信號(hào)。其原理如圖9所示。

比較器LM119是美國(guó)一家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的高速雙比較器。它的輸出的是集電極開(kāi)路的，可以和TTL電平兼容。比較器的滯后電路如圖2所示。

比較器有滯后效應(yīng)，如果噪聲為Un，當(dāng)DU?Un時(shí)，噪聲造成比較器的輸出信號(hào)翻轉(zhuǎn)，形成導(dǎo)致誤計(jì)數(shù)的寄生脈沖;反之，當(dāng)DU>Un時(shí)，噪聲就不會(huì)在比較器輸出中形成寄生脈沖，僅是使輸出脈沖的寬度發(fā)生變化，但脈沖寬度變化對(duì)計(jì)數(shù)結(jié)果而言是影響的。即盡管存在噪聲，但若果能實(shí)現(xiàn)噪聲的幅度小于滯后寬度，則誤計(jì)數(shù)的情況就不會(huì)發(fā)生;

根據(jù)設(shè)計(jì)需求不同，滯后帶寬大一些比較有利于抑制噪聲，相反滯后帶寬小一些則能提高靈敏度，所以設(shè)計(jì)時(shí)滯后寬度選擇是必須綜合的考慮的一方面。

根據(jù)圖2可知

（1-1）

（1-2）

其中，Vi是輸入信號(hào)，Vo是輸出信號(hào)，Vr是比較電平。系統(tǒng)選取R1=5.1K，Rf=20K，Vr=1.25V，則Eh=2V，E1=1V，這樣滯后寬度為1V，有效抑制了交流信號(hào)中的噪聲干擾。

4 結(jié)束語(yǔ)

測(cè)量電路以TMS320F240芯片為核心，充分利用芯片的高速數(shù)據(jù)處理能力和傳輸能力對(duì)系統(tǒng)各個(gè)電路進(jìn)行控制和調(diào)配。利用TMS320F240芯片的捕捉單元實(shí)現(xiàn)頻率的測(cè)量，并利用TMS320F240芯片的I/O口實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)量信號(hào)的測(cè)量，大大的提高了信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)的集成度，有效的實(shí)現(xiàn)了模擬器信號(hào)測(cè)量的功能。