便攜式功率分析儀設(shè)計-----頻率部分電路設(shè)計（二）

3.5.4頻率計數(shù)電路

計數(shù)的功能是在FPGA中實現(xiàn)。計數(shù)電路我們采用門控計數(shù)法測，它由門控電路和計數(shù)電路構(gòu)成。根據(jù)門控計數(shù)法測量原理：

時間、頻率量的特點

頻率是在時間軸上無限延伸的，因此，對頻率量的測量需確定一個取樣時間T，在該時間內(nèi)對被測信號的周期累加計數(shù)(若計數(shù)值為N)，根據(jù)fx =N/T得到頻率值。為實現(xiàn)時間(這里指時間間隔)的數(shù)字化測量，需將被測時間按盡可能小的時間單位(稱為時標)進行量化，通過累計被測時間內(nèi)所包含的時間單位數(shù)(計數(shù))得到。

測量原理

將需累加計數(shù)的信號(頻率測量時為被測信號，時間測量時為時標信號)，由一個“閘門”(主門)控制，并由一個“門控”信號控制閘門的開啟(計數(shù)允許)與關(guān)閉(計數(shù)停止)。

3.5.4.1門控電路

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

3.5.4.2計數(shù)電路

信號和門控信號相與。當門控選通后，信號被選通進入計數(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，閘門時間為1秒，則對設(shè)計最高頻率的信號，計數(shù)器計數(shù)23437500個脈沖，則應(yīng)該設(shè)計25位的二進制計數(shù)器。將被計數(shù)時鐘信號同計數(shù)使能信號，計數(shù)使能信號經(jīng)非門的反轉(zhuǎn)信號一起相與，并送入計數(shù)器計數(shù)時鐘輸入端，實現(xiàn)多周期同步頻率計數(shù)法。同時，利用門控信號的下降沿觸發(fā)D觸發(fā)器，使觸發(fā)器輸出從低到高翻轉(zhuǎn)，作為一次計數(shù)完成的標志信號，通過讀取該標志，以確認一次頻率測量的完成。

3.5.4.3溫度傳感器

影響頻率計數(shù)器精度的關(guān)鍵是門控信號的精度。門控信號是由晶振分頻得到的，晶振是決定門控信號的關(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。為了得到準確的門控信號，在該設(shè)計中加入溫度傳感器，通過獲得當前晶振的環(huán)境溫度，對晶振的溫度進行補償。

溫度補償選用的是Analog公司的AD7416溫度傳感器。它的測量溫度范圍為-45～125℃，精確可達到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點設(shè)置寄存器、T HYST點設(shè)置寄存器和配置寄存器等一些可編程的寄存器。通過對T OTI和T HYST設(shè)置，可以限制最高溫度值。通過編程地址指針寄存器和配置寄存器可以實現(xiàn)對每個寄存器的控制。傳感器對周圍溫度進行測量。A/D轉(zhuǎn)換器將獲得的溫度值轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號存儲在溫度值寄存器內(nèi)。如下表3-3所示，被測溫度與數(shù)字輸出的對應(yīng)關(guān)系，讀取溫度值寄存器就可獲得最后測得的當前環(huán)境溫度。

3.5.4.4頻率計數(shù)誤差分析

系統(tǒng)頻率測量誤差的主要來源為：計數(shù)誤差、觸發(fā)誤差、標準頻率誤差。

量化誤差的產(chǎn)生原因是，在測頻是由于標準閘門時間信號與被測信號脈沖之間沒有必然的聯(lián)系，他們在時間關(guān)系上是完全任意的，或者說他們在時間軸上的相對位置是隨機的。這就造成了閘門開啟和關(guān)閉的時間與被測信號不同步，使得在閘門開始和結(jié)束時刻有一部分時間零頭沒有被計算在內(nèi)而造成的測量誤差。