一種于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。