基于FPGA的多通道頻率測量系統設計

摘要：設計了一種多通道頻率測量系統。系統由模擬開(kāi)關(guān)、信號調理電路、FPGA、總線(xiàn)驅動(dòng)電路構成，實(shí)現對頻率信號的分壓、放大、濾波、比較、測量，具備回路自測試功能，可與主設備進(jìn)行數據交互，具有精度高、可擴展、易維護的特點(diǎn)，有一定的工程應用價(jià)值。

頻率測量電路是很多檢測與控制系統的重要組成部分，在航空機載計算機領(lǐng)域具有廣泛的應用環(huán)境。隨著(zhù)檢測與控制系統復雜程度的提高，頻率測量電路也被提出了新的要求，例如多通道實(shí)時(shí)采集、高精度測量等。FPGA的特點(diǎn)是完全由用戶(hù)通過(guò)軟件進(jìn)行配置和編程，從而完成某種特定的功能，且可以反復擦寫(xiě)，因此，以FPGA為核心進(jìn)行電路搭建已成為當前數字系統設計的主流方法。本文利用FPGA設計了一種多通道頻率測量系統，易于擴展，精度較高，符合實(shí)際的需求。

1 系統硬件設計

系統硬件由模擬開(kāi)關(guān)、信號調理電路、FPGA及其外圍電路、總線(xiàn)驅動(dòng)電路構成。

模擬開(kāi)關(guān)完成對頻率信號輸入通道的切換，當系統處于正常工作狀態(tài)時(shí)，外部輸入的正弦信號經(jīng)模擬開(kāi)關(guān)進(jìn)入后級電路，進(jìn)行頻率測量;當系統處于自測試狀態(tài)時(shí)，由FPGA產(chǎn)生一個(gè)頻率恒定的方波信號，該信號經(jīng)模擬開(kāi)關(guān)進(jìn)入后級電路進(jìn)行頻率測量，通過(guò)對比設定頻率和測量頻率的一致性來(lái)監測整個(gè)系統是否存在故障點(diǎn)。

信號調理電路完成對正弦信號的前級處理，設計準則是滿(mǎn)足全頻段信號的調理需求，分以下幾級電路：1)使用3個(gè)阻值相同的電阻對正弦信號進(jìn)行1/3分壓，防止高頻信號的幅值超過(guò)放大器及比較器的輸入電壓閾值;2)使用儀表放大器對正弦信號進(jìn)行放大，原因是低頻信號的幅值低于比較電壓，如果不進(jìn)行放大就不具備比較意義，而且放大器具有輸出電壓飽和特性，不會(huì )造成放大器的輸出電壓超過(guò)比較器的輸入電壓閾值;3)使用運算放大器及分立的阻容對正弦信號進(jìn)行二階RC濾波;4)使用比較器將正弦信號轉換成方波信號，供FPGA采集。

FPGA及其外圍電路是整個(gè)測量系統的核心。外圍電路包括以下幾個(gè)部分：1)電源轉換電路，將5V電源轉換為FPGA工作必需的3.3 V及2.5 V電源;2)程序存儲器電路，負責存儲可執行邏輯代碼，供FPGA工作時(shí)調用;3)JTAG接口電路，方便開(kāi)發(fā)者進(jìn)行可編程邏輯的燒寫(xiě)和調試。FPGA主要完成以下幾個(gè)功能：1)產(chǎn)生1路用于系統自測試的幅值為3.3 V、頻率為100 Hz的方波信號;2)進(jìn)行邏輯譯碼，根據總線(xiàn)指令控制模擬開(kāi)關(guān)及總線(xiàn)驅動(dòng)芯片的動(dòng)作;3)對輸入信號進(jìn)行數字濾波，測量信號頻率，并將計算結果送到數據總線(xiàn)上供主設備采集。

總線(xiàn)驅動(dòng)電路是測量系統與主設備進(jìn)行數據交互的橋梁，完成FPGA電平與LBE總線(xiàn)電平之間的相互轉換，并配合讀寫(xiě)時(shí)序控制數據的流通方向。當測量系統不需要與主設備進(jìn)行通信時(shí)，關(guān)閉輸出使能開(kāi)關(guān)，保證測量系統的數據不會(huì )干擾到總線(xiàn)數據。

系統硬件結構框圖如圖1所示。

2 可編程邏輯設計

2.1 測頻公式

測量頻率的方法主要有兩種：

1)測頻法。在給定時(shí)間T(N個(gè)基準信號f0)內對被測信號進(jìn)行周期計數，計數值為M，則被測信號的頻率為：

由于計數器只能計整數，所以誤差由△M=±1引起，計算結果的誤差為：

由式(2)可以看出，在時(shí)間T一定的情況下，頻率越高，相對誤差越小。

2)測周法。在被測信號一個(gè)周期內對基準脈沖f0計數，計數值為M，則被測信號的頻率為：

由于計數器只能計整數，所以誤差由△M=±1引起，計算結果的誤差為：

由式(4)可以看出，在基準脈沖f0一定的情況下，頻率越低，相對誤差越小。

綜上所述，測頻法比較適合高頻信號，測周法比較適合低頻信號。本系統測量的正弦信號頻率范圍為20～3 300 Hz，為了提高測量精度，選用測周法的思想設計可編程邏輯電路。

2.2 可編程邏輯設計

可編程邏輯采用模塊化的設計思想，根據不同數量的通道需求，重復“調用”測頻模塊，配置邏輯電路，便于進(jìn)行功能擴展。測頻電路的原理如圖2所示，圖中帶有“D”字樣的功能塊表示D觸發(fā)器，帶有“mux”字樣的功能塊表示多路選擇器，帶有“count”或“cnt”字樣的功能塊表示計數器。

頻率測量的過(guò)程主要分為四個(gè)步驟：輸入信號同步、數字濾波、頻率計數、計數值輸出。

1)由于輸入被測頻率信號fre_in為異步信號，因此需要經(jīng)過(guò)兩級同步器對其進(jìn)行同步處理，得到同步后的頻率信號fre_reg1、fre_ reg2。

2)由于系統時(shí)鐘頻率為33 MHz，被測頻率信號的頻率相對較低，為了減少毛刺對頻率測量的影響，同時(shí)達到系統要求的可測頻率范圍，可對同步后的頻率信號進(jìn)行濾波處理，其上限截止頻率設為3 300 Hz，濾除毛刺信號，生成真實(shí)的被測頻率信號。其實(shí)現方法為：設置兩個(gè)減法計數器pos_num和neg_num，分別在fre_reg2的高電子和低電子期間進(jìn)行計數，其初始值均為4999。當pos_num和neg_num均可計數到0時(shí)，說(shuō)明fre_reg2信號的頻率不超過(guò)3300Hz，生成真實(shí)的被測頻率信號fre_real1信號;如果pos_num和neg_num計數值不能達到0，則說(shuō)明fre_ reg2信號頻率大于3 300 Hz，將被視為毛刺信號被過(guò)濾掉。

3)對過(guò)濾后的真實(shí)被測頻率信號fre_real1進(jìn)行上升沿判斷，以確定頻率計數的起始與結束，控制頻率計數器的計數與輸出過(guò)程。

4)計數值輸出過(guò)程中，需設置count_delay來(lái)判斷頻率信號的周期是否大于1s，如果成立，則認定外部無(wú)頻率信號輸入，輸出值置為NAN(表示無(wú)窮大)。同時(shí)，系統啟動(dòng)過(guò)程中頻率計數器已經(jīng)開(kāi)始工作，為了保證頻率計數的正確性，可設計cnt計數器，丟棄初次計數值。最后，將有效的計數值輸出給fre_data。

3 仿真驗證

使用ModelSim對可編程邏輯進(jìn)行仿真。測量對象為1000 Hz方波信號，時(shí)鐘頻率為33 M，因此時(shí)鐘計數值應該是33 000。任選信號周期內的一個(gè)時(shí)刻作為系統復位點(diǎn)，仿真結果如圖3所示。從圖3可以看出，fre_data的值在第三個(gè)start信號凸起后變?yōu)?3 000，與理論值完全一致，說(shuō)明設計有效。

4 實(shí)測數據

使用信號發(fā)生器提供不同頻率的正弦信號，對系統進(jìn)行實(shí)測，所選取的頻率測試點(diǎn)覆蓋整個(gè)實(shí)際應用的頻率范圍，即20～3 300 Hz，且可以驗證可編程邏輯電路的數字濾波及延時(shí)判斷功能。同時(shí)，為了更好的模擬發(fā)動(dòng)機實(shí)際情況，正弦信號的幅值應隨著(zhù)其頻率的增大而增大。實(shí)測數據如表1所示。

從表1可以看出，當輸入信號的頻率小于1Hz時(shí)，系統的延時(shí)判斷功能生效，實(shí)測值為NAN(無(wú)窮大);當輸入信號的頻率大于3 300 Hz時(shí)，系統的數字濾波功能生效，實(shí)測值為0;當輸入信號的頻率介于1～3 300 Hz之間時(shí)，實(shí)測值的相對誤差不超過(guò)0.4%，與實(shí)際頻率基本一致。

5 結束語(yǔ)

文章提出了一種基于FPGA的多通道頻率測量系統的實(shí)現方法，主要創(chuàng )新點(diǎn)是利用可編程邏輯芯片搭建數字濾波電路，通過(guò)邏輯分析判別輸入信號是否切斷并做出響應，符合實(shí)際應用的需求。系統的擴展性強，電路結構相對簡(jiǎn)單，仿真及實(shí)測結果表明濾波效果明顯，測量精度較高，在工程領(lǐng)域具備適用價(jià)值。