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(guò)一系列的放大、整形等處理實(shí)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(chǎng)可編程門(mén)陣列，只能對數字信號進(jìn)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為本系統的信號測量單元，且通過(guò)捕捉待測信號上升沿來(lái)實(shí)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(gè)時(shí)鐘脈沖之內，即要求輸出信號的上升時(shí)間較短。

　　本系統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。對于高頻處理部分，待測信號的頻率較高，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 系統實(shí)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(shí)間和矩形脈沖占空比的測量功能。當按下相應按鍵時(shí)，MCU將向FPGA發(fā)送控制信息，使其開(kāi)始相應參量的測量。當測量結束時(shí)，FPGA將測量值通過(guò)SPI通信方式傳輸至MCU中，MCU進(jìn)行最終計算并顯示在OLED12864上。由于FPGA的系統時(shí)鐘較快，MCU的系統時(shí)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(chǎn)生時(shí)鐘信號SCLK，從而實(shí)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(shí)間測量模塊、低電平時(shí)間測量模塊、SPI通信模塊和時(shí)間間隔測量模塊等。其中，FPGA晶振產(chǎn)生初始系統時(shí)鐘，經(jīng)鎖相環(huán)按一定系數倍頻后為各模塊提供時(shí)鐘信號。MCU通過(guò)兩根控制線(xiàn)對頻率、占空比、時(shí)間間隔三種功能進(jìn)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(jīng)過(guò)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(shí)間測量模塊、低電平時(shí)間測量模塊相連，從而得到該路信號的頻率和占空比。測量?jì)陕贩讲ㄐ盘枙r(shí)間間隔時(shí)，兩路輸入信號通過(guò)輸入調理電路的兩級放大后，任一路經(jīng)過(guò)1.5倍分頻后與第二路信號一同接入時(shí)間間隔測量模塊，實(shí)現對兩路等頻率、等占空比方波信號超前或滯后情況下時(shí)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(shí)現高精度測量越困難。本系統設置FPGA的同步時(shí)間為1s，目標頻率測量精度高于0.01%，則有：

(12)

　　因此，設置FPGA鎖相環(huán)倍頻系數為5，將40MHz的初始時(shí)鐘脈沖倍頻至200MHz，以滿(mǎn)足系統測頻精度需求。為了驗證本測量系統的穩定性及測量結果準確性，進(jìn)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(jìn)行頻率測試，測試目的是驗證本系統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(shí)間間隔為0.1μs～99.72ms的兩路方波信號進(jìn)行時(shí)間間隔測試，測試目的是驗證本系統時(shí)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(shí)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(jìn)行占空比測試，測試目的是驗證本系統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，本系統在該情況下測量結果的相對誤差最大值為0.45%。

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

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(shí)現進(jìn)一步優(yōu)化標準時(shí)鐘信號頻率的設置。該系統可以實(shí)現正弦波頻率測量、矩形波占空比測定、兩路方波信號時(shí)間間隔檢測等功能。測試結果表明，該系統完全達到了預定的設計功能，并具有高精度、高穩定性的特點(diǎn)。本設計部分功能仍有待進(jìn)一步提高與完善，理論上，本測頻方法可實(shí)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(jìn)行功能性完善的空間，屆時(shí)將具有更好的實(shí)際應用價(jià)值。

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本文來(lái)源于中國科技期刊《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。