基于MSP430與FPGA的多功能數(shù)字頻率儀設(shè)計(jì)*

　　1.3 外圍電路設(shè)計(jì)

　　外圍電路模塊的主要作用是通過一系列的放大、整形等處理實(shí)現(xiàn)對輸入信號的調(diào)理，使輸出為FPGA可直接判別并計(jì)數(shù)的TTL信號。首先，FPGA作為一種現(xiàn)場可編程門陣列，只能對數(shù)字信號進(jìn)行操作，因此，調(diào)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(tǒng)的信號測量單元，且通過捕捉待測信號上升沿來實(shí)現(xiàn)對待測信號頻率的測量，因此，調(diào)理電路輸出信號的上升沿必須保證在單個時鐘脈沖之內(nèi)，即要求輸出信號的上升時間較短。

　　本系統(tǒng)的外圍電路包括高頻處理、中頻處理和低頻處理三個部分。對于高頻處理部分，待測信號的頻率較高，正弦波無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)過放大電路，再經(jīng)過史密斯觸發(fā)器整形為方波;中頻處理部分先經(jīng)過放大電路，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(tǒng)采用TI公司寬帶超低噪聲電壓反饋運(yùn)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(dá)3.9GHz，電壓輸入噪聲低至，壓擺率高達(dá)950V/μs。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

　　MSP430主程序流程圖如圖4所示，主要包含正弦波頻率、兩路方波間隔時間和矩形脈沖占空比的測量功能。當(dāng)按下相應(yīng)按鍵時，MCU將向FPGA發(fā)送控制信息，使其開始相應(yīng)參量的測量。當(dāng)測量結(jié)束時，F(xiàn)PGA將測量值通過SPI通信方式傳輸至MCU中，MCU進(jìn)行最終計(jì)算并顯示在OLED12864上。由于FPGA的系統(tǒng)時鐘較快，MCU的系統(tǒng)時鐘相對較慢，因此，設(shè)置MCU為SPI通信的主設(shè)備，F(xiàn)PGA為從設(shè)備。MCU采用I/O口模擬SPI的模式，由I/O口產(chǎn)生時鐘信號SCLK，從而實(shí)現(xiàn)FPGA與MCU的數(shù)據(jù)互傳。

　　FPGA模塊主要包含頂層文件、測頻模塊、高電平時間測量模塊、低電平時間測量模塊、SPI通信模塊和時間間隔測量模塊等。其中，F(xiàn)PGA晶振產(chǎn)生初始系統(tǒng)時鐘，經(jīng)鎖相環(huán)按一定系數(shù)倍頻后為各模塊提供時鐘信號。MCU通過兩根控制線對頻率、占空比、時間間隔三種功能進(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)過輸入調(diào)理電路后都將調(diào)理為性能良好的方波信號，該路信號直接與FPGA的測頻模塊、高電平時間測量模塊、低電平時間測量模塊相連，從而得到該路信號的頻率和占空比。測量兩路方波信號時間間隔時，兩路輸入信號通過輸入調(diào)理電路的兩級放大后，任一路經(jīng)過1.5倍分頻后與第二路信號一同接入時間間隔測量模塊，實(shí)現(xiàn)對兩路等頻率、等占空比方波信號超前或滯后情況下時間間隔的測量。

3 測試結(jié)果與分析

　　數(shù)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(xiàn)高精度測量越困難。本系統(tǒng)設(shè)置FPGA的同步時間為1s，目標(biāo)頻率測量精度高于0.01%，則有：

(12)

　　因此，設(shè)置FPGA鎖相環(huán)倍頻系數(shù)為5，將40MHz的初始時鐘脈沖倍頻至200MHz，以滿足系統(tǒng)測頻精度需求。為了驗(yàn)證本測量系統(tǒng)的穩(wěn)定性及測量結(jié)果準(zhǔn)確性，進(jìn)行了七組試驗(yàn)。

　　首先，在50mV及500mV下，1Hz～25MHz頻段范圍內(nèi)，對不同頻率值的正弦波進(jìn)行頻率測試，測試目的是驗(yàn)證本系統(tǒng)正弦波頻率測量功能的準(zhǔn)確性，測試結(jié)果如表1及表2所示。從測試結(jié)果可知，在1Hz～25MHz頻段內(nèi)，本系統(tǒng)測量結(jié)果的相對誤差最大值為0.0020%。

　　在50mV及500mV下，10Hz～10MHz頻段范圍內(nèi)，對時間間隔為0.1μs～99.72ms的兩路方波信號進(jìn)行時間間隔測試，測試目的是驗(yàn)證本系統(tǒng)時間間隔測量功能的準(zhǔn)確性，測試結(jié)果如表3及表4所示。從測試結(jié)果可知，時間間隔測量結(jié)果的相對誤差最大值為0.299%。

　　在50mV下，對1Hz～10MHz頻段范圍內(nèi)的矩形脈沖信號進(jìn)行占空比測試，測試目的是驗(yàn)證本系統(tǒng)矩形脈沖占空比測量功能的準(zhǔn)確性，測試結(jié)果如表5、表6及表7所示。從測試結(jié)果可知，本系統(tǒng)在該情況下測量結(jié)果的相對誤差最大值為0.45%。

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

4 結(jié)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(shù)字頻率儀，并實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)時鐘信號頻率的設(shè)置。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)正弦波頻率測量、矩形波占空比測定、兩路方波信號時間間隔檢測等功能。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)完全達(dá)到了預(yù)定的設(shè)計(jì)功能，并具有高精度、高穩(wěn)定性的特點(diǎn)。本設(shè)計(jì)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(xiàn)0Hz~200MHz的精準(zhǔn)測頻。本文尚未對25MHz以上高頻輸入調(diào)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，屆時將具有更好的實(shí)際應(yīng)用價值。

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本文來源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第10期第65頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。