便攜式功率分析儀設(shè)計(jì)-----頻率部分電路設(shè)計(jì)（二）

3.5.4頻率計(jì)數(shù)電路

計(jì)數(shù)的功能是在FPGA中實(shí)現(xiàn)。計(jì)數(shù)電路我們采用門(mén)控計(jì)數(shù)法測(cè)，它由門(mén)控電路和計(jì)數(shù)電路構(gòu)成。根據(jù)門(mén)控計(jì)數(shù)法測(cè)量原理：

時(shí)間、頻率量的特點(diǎn)

頻率是在時(shí)間軸上無(wú)限延伸的，因此，對(duì)頻率量的測(cè)量需確定一個(gè)取樣時(shí)間T，在該時(shí)間內(nèi)對(duì)被測(cè)信號(hào)的周期累加計(jì)數(shù)(若計(jì)數(shù)值為N)，根據(jù)fx =N/T得到頻率值。為實(shí)現(xiàn)時(shí)間(這里指時(shí)間間隔)的數(shù)字化測(cè)量，需將被測(cè)時(shí)間按盡可能小的時(shí)間單位(稱為時(shí)標(biāo))進(jìn)行量化，通過(guò)累計(jì)被測(cè)時(shí)間內(nèi)所包含的時(shí)間單位數(shù)(計(jì)數(shù))得到。

測(cè)量原理

將需累加計(jì)數(shù)的信號(hào)(頻率測(cè)量時(shí)為被測(cè)信號(hào)，時(shí)間測(cè)量時(shí)為時(shí)標(biāo)信號(hào))，由一個(gè)“閘門(mén)”(主門(mén))控制，并由一個(gè)“門(mén)控”信號(hào)控制閘門(mén)的開(kāi)啟(計(jì)數(shù)允許)與關(guān)閉(計(jì)數(shù)停止)。

3.5.4.1門(mén)控電路

由前文設(shè)計(jì)分析中可以看出，提高頻率測(cè)量精度應(yīng)該從兩個(gè)方面入手，除了設(shè)置可變分頻比的信號(hào)預(yù)分頻方法外，適當(dāng)延長(zhǎng)頻率計(jì)數(shù)模塊計(jì)數(shù)時(shí)長(zhǎng)，也可以達(dá)到提高頻率測(cè)量精度的目的。所以在設(shè)計(jì)中，我們同時(shí)使用這兩種方法完成頻率測(cè)量設(shè)計(jì)。由于頻率計(jì)數(shù)模塊計(jì)數(shù)時(shí)長(zhǎng)決定了頻率測(cè)量的響應(yīng)速度，為了保證測(cè)量響應(yīng)速度不至于太慢，導(dǎo)致用戶使用不便以及測(cè)量數(shù)據(jù)失去實(shí)時(shí)性，我們使用的該頻率的測(cè)量是對(duì)1s門(mén)內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。頻率是單位時(shí)間內(nèi)信號(hào)的個(gè)數(shù)，故計(jì)數(shù)器得到的計(jì)數(shù)值即為信號(hào)的頻率測(cè)量值。除了頻率測(cè)量中的±1誤差，對(duì)于測(cè)量高頻信號(hào)的頻率，門(mén)控信號(hào)的精度是頻率測(cè)量中的關(guān)鍵部分，直接影響到頻率的測(cè)量精度。所以，在該方案中，門(mén)控信號(hào)是由高精度的晶振分頻產(chǎn)生，并使用溫度傳感器，對(duì)頻率的測(cè)量進(jìn)行溫度校準(zhǔn)。其門(mén)控電路在FPGA中的實(shí)現(xiàn)，電路如下圖3-24.門(mén)控電路主要由8個(gè)10進(jìn)制計(jì)數(shù)器級(jí)聯(lián)對(duì)100MHz時(shí)鐘進(jìn)行分頻。時(shí)鐘頻率為100MHz，則(100×10 6 /10 8)=1s，產(chǎn)生1秒的門(mén)控。

3.5.4.2計(jì)數(shù)電路

信號(hào)和門(mén)控信號(hào)相與。當(dāng)門(mén)控選通后，信號(hào)被選通進(jìn)入計(jì)數(shù)電路。由于前面的預(yù)分頻電路的采用可變分頻比，這里暫已1：256分頻比為例，閘門(mén)時(shí)間為1秒，則對(duì)設(shè)計(jì)最高頻率的信號(hào)，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)23437500個(gè)脈沖，則應(yīng)該設(shè)計(jì)25位的二進(jìn)制計(jì)數(shù)器。將被計(jì)數(shù)時(shí)鐘信號(hào)同計(jì)數(shù)使能信號(hào)，計(jì)數(shù)使能信號(hào)經(jīng)非門(mén)的反轉(zhuǎn)信號(hào)一起相與，并送入計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)時(shí)鐘輸入端，實(shí)現(xiàn)多周期同步頻率計(jì)數(shù)法。同時(shí)，利用門(mén)控信號(hào)的下降沿觸發(fā)D觸發(fā)器，使觸發(fā)器輸出從低到高翻轉(zhuǎn)，作為一次計(jì)數(shù)完成的標(biāo)志信號(hào)，通過(guò)讀取該標(biāo)志，以確認(rèn)一次頻率測(cè)量的完成。

3.5.4.3溫度傳感器

影響頻率計(jì)數(shù)器精度的關(guān)鍵是門(mén)控信號(hào)的精度。門(mén)控信號(hào)是由晶振分頻得到的，晶振是決定門(mén)控信號(hào)的關(guān)鍵因素。晶振的誤差主要是受到溫度影響，導(dǎo)致晶振的頻率的偏差。為了得到準(zhǔn)確的門(mén)控信號(hào)，在該設(shè)計(jì)中加入溫度傳感器，通過(guò)獲得當(dāng)前晶振的環(huán)境溫度，對(duì)晶振的溫度進(jìn)行補(bǔ)償。

溫度補(bǔ)償選用的是Analog公司的AD7416溫度傳感器。它的測(cè)量溫度范圍為-45～125℃，精確可達(dá)到0.25℃。溫度傳感器內(nèi)部包括傳感器，10位的A/D轉(zhuǎn)換器，并包括地址指針寄存器、溫度值寄存器、T OTI點(diǎn)設(shè)置寄存器、T HYST點(diǎn)設(shè)置寄存器和配置寄存器等一些可編程的寄存器。通過(guò)對(duì)T OTI和T HYST設(shè)置，可以限制最高溫度值。通過(guò)編程地址指針寄存器和配置寄存器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)寄存器的控制。傳感器對(duì)周?chē)鷾囟冗M(jìn)行測(cè)量。A/D轉(zhuǎn)換器將獲得的溫度值轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)存儲(chǔ)在溫度值寄存器內(nèi)。如下表3-3所示，被測(cè)溫度與數(shù)字輸出的對(duì)應(yīng)關(guān)系，讀取溫度值寄存器就可獲得最后測(cè)得的當(dāng)前環(huán)境溫度。

3.5.4.4頻率計(jì)數(shù)誤差分析

系統(tǒng)頻率測(cè)量誤差的主要來(lái)源為：計(jì)數(shù)誤差、觸發(fā)誤差、標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差。

量化誤差的產(chǎn)生原因是，在測(cè)頻是由于標(biāo)準(zhǔn)閘門(mén)時(shí)間信號(hào)與被測(cè)信號(hào)脈沖之間沒(méi)有必然的聯(lián)系，他們?cè)跁r(shí)間關(guān)系上是完全任意的，或者說(shuō)他們?cè)跁r(shí)間軸上的相對(duì)位置是隨機(jī)的。這就造成了閘門(mén)開(kāi)啟和關(guān)閉的時(shí)間與被測(cè)信號(hào)不同步，使得在閘門(mén)開(kāi)始和結(jié)束時(shí)刻有一部分時(shí)間零頭沒(méi)有被計(jì)算在內(nèi)而造成的測(cè)量誤差。