基于FPGA的多通道頻率測量系統(tǒng)設計方案介紹

設計了一種多通道頻率測量系統(tǒng)。系統(tǒng)由模擬開關、信號調(diào)理電路、FPGA、總線驅(qū)動電路構成，實現(xiàn)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，可與主設備進行數(shù)據(jù)交互，具有精度高、可擴展、易維護的特點，有一定的工程應用價值。

頻率測量電路是很多檢測與控制系統(tǒng)的重要組成部分，在航空機載計算機領域具有廣泛的應用環(huán)境。隨著檢測與控制系統(tǒng)復雜程度的提高，頻率測量電路也被提出了新的要求，例如多通道實時采集、高精度測量等。FPGA的特點是完全由用戶通過軟件進行配置和編程，從而完成某種特定的功能，且可以反復擦寫，因此，以FPGA為核心進行電路搭建已成為當前數(shù)字系統(tǒng)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(tǒng)，易于擴展，精度較高，符合實際的需求。

1系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)硬件由模擬開關、信號調(diào)理電路、FPGA及其外圍電路、總線驅(qū)動電路構成。

模擬開關完成對頻率信號輸入通道的切換，當系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時，外部輸入的正弦信號經(jīng)模擬開關進入后級電路，進行頻率測量；當系統(tǒng)處于自測試狀態(tài)時，由FPGA產(chǎn)生一個頻率恒定的方波信號，該信號經(jīng)模擬開關進入后級電路進行頻率測量，通過對比設定頻率和測量頻率的一致性來監(jiān)測整個系統(tǒng)是否存在故障點。

信號調(diào)理電路完成對正弦信號的前級處理，設計準則是滿足全頻段信號的調(diào)理需求，分以下幾級電路：1）使用3個阻值相同的電阻對正弦信號進行1/3分壓，防止高頻信號的幅值超過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行放大，原因是低頻信號的幅值低于比較電壓，如果不進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，不會造成放大器的輸出電壓超過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行二階RC濾波；4）使用比較器將正弦信號轉(zhuǎn)換成方波信號，供FPGA采集。

FPGA及其外圍電路是整個測量系統(tǒng)的核心。外圍電路包括以下幾個部分：1）電源轉(zhuǎn)換電路，將5V電源轉(zhuǎn)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(zhí)行邏輯代碼，供FPGA工作時調(diào)用；3）JTAG接口電路，方便開發(fā)者進行可編程邏輯的燒寫和調(diào)試。FPGA主要完成以下幾個功能：1）產(chǎn)生1路用于系統(tǒng)自測試的幅值為3.3 V、頻率為100 Hz的方波信號；2）進行邏輯譯碼，根據(jù)總線指令控制模擬開關及總線驅(qū)動芯片的動作；3）對輸入信號進行數(shù)字濾波，測量信號頻率，并將計算結果送到數(shù)據(jù)總線上供主設備采集。

總線驅(qū)動電路是測量系統(tǒng)與主設備進行數(shù)據(jù)交互的橋梁，完成FPGA電平與LBE總線電平之間的相互轉(zhuǎn)換，并配合讀寫時序控制數(shù)據(jù)的流通方向。當測量系統(tǒng)不需要與主設備進行通信時，關閉輸出使能開關，保證測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)不會干擾到總線數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)硬件結構框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結構框圖

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。在給定時間T（N個基準信號f0）內(nèi)對被測信號進行周期計數(shù)，計數(shù)值為M，則被測信號的頻率為：

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(tǒng)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(jù)不同數(shù)量的通道需求，重復“調(diào)用”測頻模塊，配置邏輯電路，便于進行功能擴展。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(shù)器。

圖2 測量電路原理圖

頻率測量的過程主要分為四個步驟：輸入信號同步、數(shù)字濾波、頻率計數(shù)、計數(shù)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)過兩級同步器對其進行同步處理，得到同步后的頻率信號fre_reg1、fre_ reg2.

2）由于系統(tǒng)時鐘頻率為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，同時達到系統(tǒng)要求的可測頻率范圍，可對同步后的頻率信號進行濾波處理，其上限截止頻率設為3 300 Hz，濾除毛刺信號，生成真實的被測頻率信號。其實現(xiàn)方法為：設置兩個減法計數(shù)器pos_num和neg_num，分別在fre_reg2的高電子和低電子期間進行計數(shù)，其初始值均為4999.當pos_num和neg_num均可計數(shù)到0時，說明fre_reg2信號的頻率不超過3300Hz，生成真實的被測頻率信號fre_real1信號；如果pos_num和neg_num計數(shù)值不能達到0，則說明fre_ reg2信號頻率大于3 300 Hz，將被視為毛刺信號被過濾掉。