便攜式功率分析儀設計-----頻率部分電路設計（二）

3.5.4頻率計數電路

計數的功能是在FPGA中實(shí)現。計數電路我們采用門(mén)控計數法測，它由門(mén)控電路和計數電路構成。根據門(mén)控計數法測量原理：

時(shí)間、頻率量的特點(diǎn)

頻率是在時(shí)間軸上無(wú)限延伸的，因此，對頻率量的測量需確定一個(gè)取樣時(shí)間T，在該時(shí)間內對被測信號的周期累加計數(若計數值為N)，根據fx =N/T得到頻率值。為實(shí)現時(shí)間(這里指時(shí)間間隔)的數字化測量，需將被測時(shí)間按盡可能小的時(shí)間單位(稱(chēng)為時(shí)標)進(jìn)行量化，通過(guò)累計被測時(shí)間內所包含的時(shí)間單位數(計數)得到。

測量原理

將需累加計數的信號(頻率測量時(shí)為被測信號，時(shí)間測量時(shí)為時(shí)標信號)，由一個(gè)“閘門(mén)”(主門(mén))控制，并由一個(gè)“門(mén)控”信號控制閘門(mén)的開(kāi)啟(計數允許)與關(guān)閉(計數停止)。

3.5.4.1門(mén)控電路

由前文設計分析中可以看出，提高頻率測量精度應該從兩個(gè)方面入手，除了設置可變分頻比的信號預分頻方法外，適當延長(cháng)頻率計數模塊計數時(shí)長(cháng)，也可以達到提高頻率測量精度的目的。所以在設計中，我們同時(shí)使用這兩種方法完成頻率測量設計。由于頻率計數模塊計數時(shí)長(cháng)決定了頻率測量的響應速度，為了保證測量響應速度不至于太慢，導致用戶(hù)使用不便以及測量數據失去實(shí)時(shí)性，我們使用的該頻率的測量是對1s門(mén)內的信號進(jìn)行計數。頻率是單位時(shí)間內信號的個(gè)數，故計數器得到的計數值即為信號的頻率測量值。除了頻率測量中的±1誤差，對于測量高頻信號的頻率，門(mén)控信號的精度是頻率測量中的關(guān)鍵部分，直接影響到頻率的測量精度。所以，在該方案中，門(mén)控信號是由高精度的晶振分頻產(chǎn)生，并使用溫度傳感器，對頻率的測量進(jìn)行溫度校準。其門(mén)控電路在FPGA中的實(shí)現，電路如下圖3-24.門(mén)控電路主要由8個(gè)10進(jìn)制計數器級聯(lián)對100MHz時(shí)鐘進(jìn)行分頻。時(shí)鐘頻率為100MHz，則(100×10 6 /10 8)=1s，產(chǎn)生1秒的門(mén)控。

3.5.4.2計數電路

信號和門(mén)控信號相與。當門(mén)控選通后，信號被選通進(jìn)入計數電路。由于前面的預分頻電路的采用可變分頻比，這里暫已1：256分頻比為例，閘門(mén)時(shí)間為1秒，則對設計最高頻率的信號，計數器計數23437500個(gè)脈沖，則應該設計25位的二進(jìn)制計數器。將被計數時(shí)鐘信號同計數使能信號，計數使能信號經(jīng)非門(mén)的反轉信號一起相與，并送入計數器計數時(shí)鐘輸入端，實(shí)現多周期同步頻率計數法。同時(shí)，利用門(mén)控信號的下降沿觸發(fā)D觸發(fā)器，使觸發(fā)器輸出從低到高翻轉，作為一次計數完成的標志信號，通過(guò)讀取該標志，以確認一次頻率測量的完成。

3.5.4.3溫度傳感器

影響頻率計數器精度的關(guān)鍵是門(mén)控信號的精度。門(mén)控信號是由晶振分頻得到的，晶振是決定門(mén)控信號的關(guān)鍵因素。晶振的誤差主要是受到溫度影響，導致晶振的頻率的偏差。為了得到準確的門(mén)控信號，在該設計中加入溫度傳感器，通過(guò)獲得當前晶振的環(huán)境溫度，對晶振的溫度進(jìn)行補償。

溫度補償選用的是Analog公司的AD7416溫度傳感器。它的測量溫度范圍為-45～125℃，精確可達到0.25℃。溫度傳感器內部包括傳感器，10位的A/D轉換器，并包括地址指針寄存器、溫度值寄存器、T OTI點(diǎn)設置寄存器、T HYST點(diǎn)設置寄存器和配置寄存器等一些可編程的寄存器。通過(guò)對T OTI和T HYST設置，可以限制最高溫度值。通過(guò)編程地址指針寄存器和配置寄存器可以實(shí)現對每個(gè)寄存器的控制。傳感器對周?chē)鷾囟冗M(jìn)行測量。A/D轉換器將獲得的溫度值轉換成數字信號存儲在溫度值寄存器內。如下表3-3所示，被測溫度與數字輸出的對應關(guān)系，讀取溫度值寄存器就可獲得最后測得的當前環(huán)境溫度。

3.5.4.4頻率計數誤差分析

系統頻率測量誤差的主要來(lái)源為：計數誤差、觸發(fā)誤差、標準頻率誤差。

量化誤差的產(chǎn)生原因是，在測頻是由于標準閘門(mén)時(shí)間信號與被測信號脈沖之間沒(méi)有必然的聯(lián)系，他們在時(shí)間關(guān)系上是完全任意的，或者說(shuō)他們在時(shí)間軸上的相對位置是隨機的。這就造成了閘門(mén)開(kāi)啟和關(guān)閉的時(shí)間與被測信號不同步，使得在閘門(mén)開(kāi)始和結束時(shí)刻有一部分時(shí)間零頭沒(méi)有被計算在內而造成的測量誤差。