基于MSP430與FPGA的多功能數字頻率儀設計*

　　1.3 外圍電路設計

　　外圍電路模塊的主要作用是通過一系列的放大、整形等處理實現對輸入信號的調理，使輸出為FPGA可直接判別并計數的TTL信號。首先，FPGA作為一種現場可編程門陣列，只能對數字信號進行操作，因此，調理電路的輸出信號幅度不得低于2.4V;其次，由于FPGA為本系統(tǒng)的信號測量單元，且通過捕捉待測信號上升沿來實現對待測信號頻率的測量，因此，調理電路輸出信號的上升沿必須保證在單個時鐘脈沖之內，即要求輸出信號的上升時間較短。

　　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部分。對于高頻處理部分，待測信號的頻率較高，正弦波無需整形為方波也可視為上升沿，只需進行高增益的放大;低頻處理部分先經過放大電路，再經過史密斯觸發(fā)器整形為方波;中頻處理部分先經過放大電路，再經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算放大器OPA847搭建前級信號放大電路，該芯片帶寬增益積可達3.9GHz，電壓輸入噪聲低至，壓擺率高達950V/μs。

2 系統(tǒng)實現

　　MSP430主程序流程圖如圖4所示，主要包含正弦波頻率、兩路方波間隔時間和矩形脈沖占空比的測量功能。當按下相應按鍵時，MCU將向FPGA發(fā)送控制信息，使其開始相應參量的測量。當測量結束時，FPGA將測量值通過SPI通信方式傳輸至MCU中，MCU進行最終計算并顯示在OLED12864上。由于FPGA的系統(tǒng)時鐘較快，MCU的系統(tǒng)時鐘相對較慢，因此，設置MCU為SPI通信的主設備，FPGA為從設備。MCU采用I/O口模擬SPI的模式，由I/O口產生時鐘信號SCLK，從而實現FPGA與MCU的數據互傳。

　　FPGA模塊主要包含頂層文件、測頻模塊、高電平時間測量模塊、低電平時間測量模塊、SPI通信模塊和時間間隔測量模塊等。其中，FPGA晶振產生初始系統(tǒng)時鐘，經鎖相環(huán)按一定系數倍頻后為各模塊提供時鐘信號。MCU通過兩根控制線對頻率、占空比、時間間隔三種功能進行選擇。待測頻率的正弦波信號或待測占空比的方波信號經過輸入調理電路后都將調理為性能良好的方波信號，該路信號直接與FPGA的測頻模塊、高電平時間測量模塊、低電平時間測量模塊相連，從而得到該路信號的頻率和占空比。測量兩路方波信號時間間隔時，兩路輸入信號通過輸入調理電路的兩級放大后，任一路經過1.5倍分頻后與第二路信號一同接入時間間隔測量模塊，實現對兩路等頻率、等占空比方波信號超前或滯后情況下時間間隔的測量。

3 測試結果與分析

　　數字頻率儀的性能主要取決于測量的精確度、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，實現高精度測量越困難。本系統(tǒng)設置FPGA的同步時間為1s，目標頻率測量精度高于0.01%，則有：

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　　因此，設置FPGA鎖相環(huán)倍頻系數為5，將40MHz的初始時鐘脈沖倍頻至200MHz，以滿足系統(tǒng)測頻精度需求。為了驗證本測量系統(tǒng)的穩(wěn)定性及測量結果準確性，進行了七組試驗。

　　首先，在50mV及500mV下，1Hz～25MHz頻段范圍內，對不同頻率值的正弦波進行頻率測試，測試目的是驗證本系統(tǒng)正弦波頻率測量功能的準確性，測試結果如表1及表2所示。從測試結果可知，在1Hz～25MHz頻段內，本系統(tǒng)測量結果的相對誤差最大值為0.0020%。

　　在50mV及500mV下，10Hz～10MHz頻段范圍內，對時間間隔為0.1μs～99.72ms的兩路方波信號進行時間間隔測試，測試目的是驗證本系統(tǒng)時間間隔測量功能的準確性，測試結果如表3及表4所示。從測試結果可知，時間間隔測量結果的相對誤差最大值為0.299%。

　　在50mV下，對1Hz～10MHz頻段范圍內的矩形脈沖信號進行占空比測試，測試目的是驗證本系統(tǒng)矩形脈沖占空比測量功能的準確性，測試結果如表5、表6及表7所示。從測試結果可知，本系統(tǒng)在該情況下測量結果的相對誤差最大值為0.45%。

　　通過以上7 組試驗充分檢驗了系統(tǒng)正弦波頻率測量、兩路方波信號時間間隔測量、矩形脈沖占空比測量功能的準確性及穩(wěn)定性，正弦波頻率測量相對誤差不超過0.0020%，兩路方波信號時間間隔相對誤差不超過0.299%，矩形波占空比相對誤差不超過0.45%，操作過程極為方便，能實現量程的自動切換，具有高精度、高穩(wěn)定性的特點。

4 結論

　　針對高精度多功能測頻的需求，本文提出了基于MSP430與FPGA的多功能數字頻率儀，并實現進一步優(yōu)化標準時鐘信號頻率的設置。該系統(tǒng)可以實現正弦波頻率測量、矩形波占空比測定、兩路方波信號時間間隔檢測等功能。測試結果表明，該系統(tǒng)完全達到了預定的設計功能，并具有高精度、高穩(wěn)定性的特點。本設計部分功能仍有待進一步提高與完善，理論上，本測頻方法可實現0Hz~200MHz的精準測頻。本文尚未對25MHz以上高頻輸入調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，尚具有進行功能性完善的空間，屆時將具有更好的實際應用價值。

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本文來源于中國科技期刊《電子產品世界》2016年第10期第65頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。