基于MSP430與FPGA的多功能數(shù)字頻率儀設(shè)計(jì)*

　　1.3 外圍電路設(shè)計(jì)

　　外圍電路模塊的主要作用是通過(guò)一系列的放大、整形等處理實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的調(diào)理，使輸出為FPGA可直接判別并計(jì)數(shù)的TTL信號(hào)。首先，FPGA作為一種現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列，只能對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行操作，因此，調(diào)理電路的輸出信號(hào)幅度不得低于2.4V;其次，由于FPGA為本系統(tǒng)的信號(hào)測(cè)量單元，且通過(guò)捕捉待測(cè)信號(hào)上升沿來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)信號(hào)頻率的測(cè)量，因此，調(diào)理電路輸出信號(hào)的上升沿必須保證在單個(gè)時(shí)鐘脈沖之內(nèi)，即要求輸出信號(hào)的上升時(shí)間較短。

　　本系統(tǒng)的外圍電路包括高頻處理、中頻處理和低頻處理三個(gè)部分。對(duì)于高頻處理部分，待測(cè)信號(hào)的頻率較高，正弦波無(wú)需整形為方波也可視為上升沿，只需進(jìn)行高增益的放大;低頻處理部分先經(jīng)過(guò)放大電路，再經(jīng)過(guò)史密斯觸發(fā)器整形為方波;中頻處理部分先經(jīng)過(guò)放大電路，再經(jīng)10分頻電路后送入低頻處理部分的整形電路，從而輸出方波。本系統(tǒng)采用TI公司寬帶超低噪聲電壓反饋運(yùn)算放大器OPA847搭建前級(jí)信號(hào)放大電路，該芯片帶寬增益積可達(dá)3.9GHz，電壓輸入噪聲低至，壓擺率高達(dá)950V/μs。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

　　MSP430主程序流程圖如圖4所示，主要包含正弦波頻率、兩路方波間隔時(shí)間和矩形脈沖占空比的測(cè)量功能。當(dāng)按下相應(yīng)按鍵時(shí)，MCU將向FPGA發(fā)送控制信息，使其開(kāi)始相應(yīng)參量的測(cè)量。當(dāng)測(cè)量結(jié)束時(shí)，F(xiàn)PGA將測(cè)量值通過(guò)SPI通信方式傳輸至MCU中，MCU進(jìn)行最終計(jì)算并顯示在OLED12864上。由于FPGA的系統(tǒng)時(shí)鐘較快，MCU的系統(tǒng)時(shí)鐘相對(duì)較慢，因此，設(shè)置MCU為SPI通信的主設(shè)備，F(xiàn)PGA為從設(shè)備。MCU采用I/O口模擬SPI的模式，由I/O口產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)SCLK，從而實(shí)現(xiàn)FPGA與MCU的數(shù)據(jù)互傳。

　　FPGA模塊主要包含頂層文件、測(cè)頻模塊、高電平時(shí)間測(cè)量模塊、低電平時(shí)間測(cè)量模塊、SPI通信模塊和時(shí)間間隔測(cè)量模塊等。其中，F(xiàn)PGA晶振產(chǎn)生初始系統(tǒng)時(shí)鐘，經(jīng)鎖相環(huán)按一定系數(shù)倍頻后為各模塊提供時(shí)鐘信號(hào)。MCU通過(guò)兩根控制線對(duì)頻率、占空比、時(shí)間間隔三種功能進(jìn)行選擇。待測(cè)頻率的正弦波信號(hào)或待測(cè)占空比的方波信號(hào)經(jīng)過(guò)輸入調(diào)理電路后都將調(diào)理為性能良好的方波信號(hào)，該路信號(hào)直接與FPGA的測(cè)頻模塊、高電平時(shí)間測(cè)量模塊、低電平時(shí)間測(cè)量模塊相連，從而得到該路信號(hào)的頻率和占空比。測(cè)量?jī)陕贩讲ㄐ盘?hào)時(shí)間間隔時(shí)，兩路輸入信號(hào)通過(guò)輸入調(diào)理電路的兩級(jí)放大后，任一路經(jīng)過(guò)1.5倍分頻后與第二路信號(hào)一同接入時(shí)間間隔測(cè)量模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)兩路等頻率、等占空比方波信號(hào)超前或滯后情況下時(shí)間間隔的測(cè)量。

3 測(cè)試結(jié)果與分析

　　數(shù)字頻率儀的性能主要取決于測(cè)量的精確度、高精度的頻率范圍、輸入電壓的幅度值等。頻率范圍越大，輸入電壓幅度越低，實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量越困難。本系統(tǒng)設(shè)置FPGA的同步時(shí)間為1s，目標(biāo)頻率測(cè)量精度高于0.01%，則有：

(12)

　　因此，設(shè)置FPGA鎖相環(huán)倍頻系數(shù)為5，將40MHz的初始時(shí)鐘脈沖倍頻至200MHz，以滿足系統(tǒng)測(cè)頻精度需求。為了驗(yàn)證本測(cè)量系統(tǒng)的穩(wěn)定性及測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性，進(jìn)行了七組試驗(yàn)。

　　首先，在50mV及500mV下，1Hz～25MHz頻段范圍內(nèi)，對(duì)不同頻率值的正弦波進(jìn)行頻率測(cè)試，測(cè)試目的是驗(yàn)證本系統(tǒng)正弦波頻率測(cè)量功能的準(zhǔn)確性，測(cè)試結(jié)果如表1及表2所示。從測(cè)試結(jié)果可知，在1Hz～25MHz頻段內(nèi)，本系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果的相對(duì)誤差最大值為0.0020%。

　　在50mV及500mV下，10Hz～10MHz頻段范圍內(nèi)，對(duì)時(shí)間間隔為0.1μs～99.72ms的兩路方波信號(hào)進(jìn)行時(shí)間間隔測(cè)試，測(cè)試目的是驗(yàn)證本系統(tǒng)時(shí)間間隔測(cè)量功能的準(zhǔn)確性，測(cè)試結(jié)果如表3及表4所示。從測(cè)試結(jié)果可知，時(shí)間間隔測(cè)量結(jié)果的相對(duì)誤差最大值為0.299%。

　　在50mV下，對(duì)1Hz～10MHz頻段范圍內(nèi)的矩形脈沖信號(hào)進(jìn)行占空比測(cè)試，測(cè)試目的是驗(yàn)證本系統(tǒng)矩形脈沖占空比測(cè)量功能的準(zhǔn)確性，測(cè)試結(jié)果如表5、表6及表7所示。從測(cè)試結(jié)果可知，本系統(tǒng)在該情況下測(cè)量結(jié)果的相對(duì)誤差最大值為0.45%。

　　通過(guò)以上7 組試驗(yàn)充分檢驗(yàn)了系統(tǒng)正弦波頻率測(cè)量、兩路方波信號(hào)時(shí)間間隔測(cè)量、矩形脈沖占空比測(cè)量功能的準(zhǔn)確性及穩(wěn)定性，正弦波頻率測(cè)量相對(duì)誤差不超過(guò)0.0020%，兩路方波信號(hào)時(shí)間間隔相對(duì)誤差不超過(guò)0.299%，矩形波占空比相對(duì)誤差不超過(guò)0.45%，操作過(guò)程極為方便，能實(shí)現(xiàn)量程的自動(dòng)切換，具有高精度、高穩(wěn)定性的特點(diǎn)。

4 結(jié)論

　　針對(duì)高精度多功能測(cè)頻的需求，本文提出了基于MSP430與FPGA的多功能數(shù)字頻率儀，并實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)頻率的設(shè)置。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)正弦波頻率測(cè)量、矩形波占空比測(cè)定、兩路方波信號(hào)時(shí)間間隔檢測(cè)等功能。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)完全達(dá)到了預(yù)定的設(shè)計(jì)功能，并具有高精度、高穩(wěn)定性的特點(diǎn)。本設(shè)計(jì)部分功能仍有待進(jìn)一步提高與完善，理論上，本測(cè)頻方法可實(shí)現(xiàn)0Hz~200MHz的精準(zhǔn)測(cè)頻。本文尚未對(duì)25MHz以上高頻輸入調(diào)理電路的有效放大及1Hz以下低頻整形電路的高速整形提出解決方案，尚具有進(jìn)行功能性完善的空間，屆時(shí)將具有更好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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本文來(lái)源于中國(guó)科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第10期第65頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。