基于MSP430與FPGA的多功能數字頻率儀設計*

作者/ 任歡 顏逾越 廈門(mén)大學(xué)嘉庚學(xué)院 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院(福建 漳州 363105)

摘要：本文采用以FPGA為主，MSP430為輔的框架系統處理方式設計了多功能數字頻率儀。該裝置采用低頻直接測周期，高頻等精度多周期同步測量的方法，通過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化標準時(shí)鐘頻率的設置，克服了傳統測頻方法在高精度要求方面的缺陷。將MSP430作為控制處理核心、FPGA作為信號處理單元，將高效控制與快速運算能力相結合，實(shí)現正弦波頻率、兩路方波信號時(shí)間間隔以及矩形脈沖占空比的測量。測試表明，該裝置具有高精度、高穩定性、裝配簡(jiǎn)易和操作便利的特點(diǎn)。

引言

　　隨著(zhù)電子產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，新興產(chǎn)業(yè)對頻率等參量測量結果的快速性、穩定性、精確性等性能指標提出了更高的要求^[1]。目前，信號頻率的測量已有多種測量方案，如過(guò)零檢測法^[2]、離散傅里葉變換^[3]、離散卡爾曼濾波^[4-5]等。其中存在對高頻信號的快速測量的局限性、頻譜泄漏^[6]以及準確性有待提高^[7]等問(wèn)題。本文采用高速現場(chǎng)可編程邏輯陣列(FPGA)及超低功耗單片機(MCU)，結合多周期測量原理，通過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化標準時(shí)鐘信號頻率的設置，使用低頻時(shí)鐘計數法直接測周期，高頻等精度多周期同步測量法測頻率的方法，實(shí)現對待測信號頻率、占空比、兩路信號時(shí)間間隔等參量的高精度測量。

1 系統設計思路

　　1.1 系統總體結構

　　系統由Altera公司CycloneII EP2C8Q208C8型號FPGA、TI公司MSP430F5529型號MCU、外圍電路模塊、顯示模塊、按鍵模塊和電源模塊構成，系統的總體結構如圖1所示。其中，MCU是本系統的控制中心，主要負責數據接收、邏輯處理和命令傳達;FPGA是本系統的核心測量模塊，主要負責利用由其內含的計數模塊而構成的等精度頻率測量模塊、高電平時(shí)間計數模塊、低電平時(shí)間計數模塊、時(shí)間間隔測量模塊進(jìn)行高頻信號的頻率、低頻信號的周期、單路方波信號的占空比和兩路方波信號時(shí)間間隔的測量，并根據MCU給定的控制信號，通過(guò)SPI協(xié)議發(fā)送相應的測量數據至MCU中;外圍電路模塊是本系統的輸入信號調理模塊，主要負責將待測信號f(x)通過(guò)一系列的放大、整形等處理輸出為FPGA可直接判別并計數的方波信號;顯示模塊主要用于已測得信號的頻率、占空比、時(shí)間間隔等參量的顯示，并由按鍵模塊進(jìn)行數據刷新。

　　1.2 時(shí)間及頻率測頻原理

　　等精度頻率測量法是指在給定一種標準時(shí)鐘信號的情況下，通過(guò)對待測信號的上升沿進(jìn)行多次識別及計數，從而得到待測信號頻率的方法。等精度頻率測量法的原理圖如圖2所示，若待測信號在標準時(shí)鐘信號上升沿個(gè)數為m的T秒時(shí)間內，上升沿個(gè)數為n個(gè)[8]，則待測信號頻率為：

(1)

　　其中，f_x為待測信號頻率，f_s為標準時(shí)鐘信號頻率。

　　將式(1)進(jìn)行微分及相應變換可得：

　　其中，d_fs/f_s為標準信號誤差，即晶振誤差，由于晶振穩定性高，這一部分誤差可忽略不計。

　　則頻率測量誤差為：

(4)

　　由此可見(jiàn)，理論中測量誤差與待測信號頻率參數無(wú)關(guān)[9-10]，增長(cháng)標準時(shí)鐘信號的同步時(shí)間T或增大時(shí)鐘信號的頻率皆可進(jìn)一步提高測量精度，且等精度測頻法無(wú)法對頻率低于1/T低頻信號進(jìn)行測量。另一方面，在實(shí)際測試中，FPGA計數結果可能因硬件延遲存在著(zhù)兩個(gè)計數值的固定誤差，則有實(shí)際誤差為：

(5)

　　若要求測量誤差小于η時(shí)，則符合精度的待測頻率f_x的最小值為：

(6)

　　直接測周法是一種對待測信號一個(gè)周期內標準時(shí)鐘信號進(jìn)行計數，從而測量待測信號頻率的方法，其測量原理圖如圖3所示。若標準時(shí)鐘信號在待測信號一個(gè)周期內上升沿個(gè)數為m個(gè)[11]，則待測信號頻率為：

(7)

　　同理可得：

(8)

　　同理，省略掉晶振誤差，且考慮FPGA硬件延遲后，可得直接測周法的測量誤差為：

(9)

　　由此可見(jiàn)，理論中測量誤差與待測信號頻率參數有關(guān)，若要求測量誤差小于時(shí)，則符合精度的待測頻率fx最大值為：

(10)

　　若要對低頻段采用直接測周法，高頻段采用等精度測頻法實(shí)現對整個(gè)通帶的信號頻率測量，則必須有，即必須將標準時(shí)鐘信號頻率設置為：

本文來(lái)源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第9期第65頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。