闡述基于FPGA的高精度頻率計的設(shè)計與實現(xiàn)

易顯剛 黃虎城

摘要：隨著電子技術(shù)的發(fā)展，頻率計的應(yīng)用越來越廣泛，本文設(shè)計了一種基于FPGA的高精度頻率計，該頻率計以FPGA和單片機為核心，能夠高精度的對信號頻率進行測量，在測量范圍、精度和穩(wěn)定性方面都有優(yōu)異的性能。

關(guān)鍵詞：數(shù)字頻率計;計數(shù)法;高精度

1 系統(tǒng)的整體設(shè)計

本文設(shè)計的高精度頻率計硬件部分主要包括寬帶通道放大器、高速比較器、單片機以及FPGA等幾部分組成。系統(tǒng)的運行原理如下：單路正弦信號經(jīng)過寬帶通道放大器，由放大器進行放大，最大可以得到26dB的電壓增益;在放大以后信號進入高度比較器，由其整形成方波信號，并且輸入到FPGA，由FPGA將方波信號進行分頻，然后計數(shù)，最終將結(jié)果發(fā)送給單片機;單片機在得到技術(shù)結(jié)果以后，會選擇精度最高的結(jié)果，并根據(jù)其計算出頻率、時間間隔和占空比等信息，并由液晶顯示屏將結(jié)果顯示出來。同時，單片機還能夠?qū)PGA進行控制。為了提高信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性，在不同硬件模塊之間，通過“雙絞線”來進行信號傳輸。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1 供電模塊設(shè)計

本文設(shè)計的高精度頻率的電源選擇±5V的雙電源;應(yīng)用了AMS1117-3.3來獲得3.3V的電壓，這樣可以保證電壓穩(wěn)定保持在3.3V，不受負載影響;接口芯片、FPGA和單片機的供電由FFC線、杜邦線和通用串行總線接口來完成。

2.2 寬帶通道放大器

本系統(tǒng)采用OPA847作為寬帶通道放大器，該芯片是一種寬帶、極低噪聲電壓反饋運算放大器，具有較高的穩(wěn)定性。其帶寬可以達到3.9GHz;壓擺率達到950V/μS;輸入噪聲0.85nV/√Hz。

2.3 高速比較器

本系統(tǒng)采用TLV3501芯片作為高速比較器，這是一種軌至軌高速比較器，軌至軌時間為4.5ns，比較速度非常快，能夠比較的信號頻率范圍也比較大，可以達到100MHz。

在本系統(tǒng)中，采用了SOIC封裝方式來進行OPA847和TLV3501的封裝，并且應(yīng)用了同樣的引腳排列方式，通過這樣的設(shè)計，能夠使印刷電路板可以同時供這兩塊芯片兼容使用。印刷電路板中的信號傳輸線設(shè)計的盡可能的短，并且采用平面銅對底線進行了覆蓋，采用了共點接地的方式。

2.4 FPGA

本系統(tǒng)中采用了Cyclone-EP4CE6E22C8N芯片，這種芯片的優(yōu)點，其穩(wěn)定工作晶振頻率可以達到50MHz，可穩(wěn)定倍頻至100MHz，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的并行處理。此外，該芯片的成本和功耗都比較低，因此應(yīng)用這一芯片能夠?qū)ο到y(tǒng)的成本和功耗進行有效控制，提高設(shè)計的高精度頻率計的應(yīng)用范圍。

2.5 放大器的穩(wěn)定性設(shè)計

在本系統(tǒng)中，放大器是重要的組成部分，為了保證系統(tǒng)的功能，放大器需要達到絕對的穩(wěn)定，因此其不僅要避免接近自激振蕩條件，而且還留有一定的富裕量。對于放大器而言，其富裕量越大，其越南產(chǎn)生自激振蕩。本系統(tǒng)中選擇的放大器為OPA847，因此在選擇放大電路參數(shù)時，應(yīng)最大程度上距離其自激振蕩條件遠一些。

在系統(tǒng)運行過程中，不良接地、不充分的供電電源濾、輸入雜散電容、高頻噪聲、前沿校正以及大容量容性負載都可能會影響到放大器的穩(wěn)定性。因此本系統(tǒng)在設(shè)計過程中采用了針對性的設(shè)計，降低這些因素的影響。本頻率計采用了整個系統(tǒng)完全共地的接地方式，通過電源旁路電容使電路的穩(wěn)定性得到了顯著的提升，電源和地之間采用了10μF的電容，并且并聯(lián)了一個0.1μF的陶瓷電容;為了降低負載電容的影響，還在輸出端增加了一個串聯(lián)電路;選擇的放大器本身具有極低噪聲。選擇了26dB的通帶增益，也有利于其保持最佳穩(wěn)定狀態(tài)。

3 軟件設(shè)計

在控制程序的而設(shè)計方面，本文以MSP430F5529作為控制核心，由其來進行FPGA和顯示等的控制;Cyclone-EP4CE6E22C8N為信號處理核心，進行方波信號分頻和技術(shù)等工作。本系統(tǒng)應(yīng)用了“多路并行計數(shù)法”，主程序流程圖如圖1中所示：

4 性能測試

4.1 頻率和周期測量功能

通過向數(shù)字頻率計輸入有效值和頻率不同的正弦波來對數(shù)字頻率計的頻率和周期測量功能進行測試發(fā)現(xiàn)，該頻率計能夠?qū)崿F(xiàn)對1Hz～199MHz、10mVrms～1Vrms的正弦波能進行頻率測量，相對誤差在0.0001%，具有優(yōu)異的性能。

4.2 時間間隔測量功能

通過向數(shù)字頻率計輸入兩路同頻同壓有時間間隔的方波信號對時間間隔測量功能進行測試，結(jié)果顯示其能夠?qū)?00Hz～1MHz、50mV～1V的同頻方波進行時間間隔測量。測量的范圍可以達到1μs～100ms，相對誤差在1%以內(nèi)。

結(jié)論

本文以FPGA和單片機為核心設(shè)計了一個高精度頻率計，通過測試發(fā)現(xiàn)，該頻率計具有良好的頻率和周期、時間間隔等的測量功能，在測量范圍、精度和穩(wěn)定性方面都有優(yōu)異的性能。

參考文獻

[1]王永良， 宋政湘. 基于FPGA的同步測周期高精度數(shù)字頻率計的設(shè)計[J]. 電子設(shè)計應(yīng)用， 2004（12）：4.

[2]董勃， 王直， 于航，等. 基于FPGA的高精度頻率計[J]. 計算機與現(xiàn)代化， 2021（6）：5.

[3]宋思明， 陳鐵軍， 李垣燊，等. 基于FPGA的高精度數(shù)字頻率計[J]. 信息通信， 2019（6）：3.