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)電路我們采用門控計(jì)數(shù)法測(cè)，它由門控電路和計(jì)數(shù)電路構(gòu)成。根據(jù)門控計(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”(主門)控制，并由一個(gè)“門控”信號(hào)控制閘門的開啟(計(jì)數(shù)允許)與關(guān)閉(計(jì)數(shù)停止)。

3.5.4.1門控電路

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)。其門控電路在FPGA中的實(shí)現(xiàn)，電路如下圖3-24.門控電路主要由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秒的門控。

3.5.4.2計(jì)數(shù)電路

信號(hào)和門控信號(hào)相與。當(dāng)門控選通后，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)鍵是門控信號(hào)的精度。門控信號(hào)是由晶振分頻得到的，晶振是決定門控信號(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)周圍溫度進(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)閘門時(shí)間信號(hào)與被測(cè)信號(hào)脈沖之間沒有必然的聯(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。這就造成了閘門開啟和關(guān)閉的時(shí)間與被測(cè)信號(hào)不同步，使得在閘門開始和結(jié)束時(shí)刻有一部分時(shí)間零頭沒有被計(jì)算在內(nèi)而造成的測(cè)量誤差。[!--empirenews.page--]

式中T s——閘門時(shí)間;

f x——被測(cè)頻率;

ΔN為最大計(jì)數(shù)誤差。

但是無(wú)論計(jì)數(shù)值N為多少，其最大計(jì)數(shù)誤差不超過(guò)±1個(gè)計(jì)數(shù)單位。

而觸發(fā)誤差是由于輸入信號(hào)都需經(jīng)過(guò)通道電路放大、整形等，得到脈沖信號(hào)，即將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)。這種轉(zhuǎn)換要求只對(duì)信號(hào)幅值和波形變換，不能改變其頻率。但是，若輸入被測(cè)信號(hào)疊加有干擾信號(hào)，則信號(hào)的頻率(周期)及相對(duì)閘門信號(hào)的觸發(fā)點(diǎn)就可能變化。由此產(chǎn)生的測(cè)量誤差稱為“觸發(fā)誤差”，也稱為“轉(zhuǎn)換誤差”。這一誤差在實(shí)際設(shè)計(jì)中的影響較小。

標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差是因?yàn)闇y(cè)頻時(shí)量化誤差是閘門開啟時(shí)間的相對(duì)誤差ΔT s /T s，它決定于晶振的頻率穩(wěn)定度、準(zhǔn)確度、分頻電路和閘門開關(guān)速度以及穩(wěn)定性等因素。在設(shè)計(jì)計(jì)數(shù)器時(shí)，盡量減小和消除整形、分頻電路和閘門開關(guān)速度的影響，石英振蕩器的頻率為f c，分頻系數(shù)為k，則

綜上所述，可等到：

計(jì)數(shù)器測(cè)頻率的誤差主要有：計(jì)數(shù)誤差、標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差。一般，總誤差可采用分項(xiàng)誤差絕對(duì)值合成，即：

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，我們采用多周期同步測(cè)頻法，在很大程度上降低了量化誤差。通過(guò)選用高性能高集成度的預(yù)分頻器，簡(jiǎn)化頻率測(cè)量電路設(shè)計(jì)，并在頻率測(cè)量通道上加入適當(dāng)濾波設(shè)計(jì)，減小觸發(fā)誤差的影響。使得系統(tǒng)的主要誤差轉(zhuǎn)成由于產(chǎn)生FPGA工作時(shí)鐘的外部晶振造成的標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差。通過(guò)選用更高精度的，更高穩(wěn)定度的晶振可以提高系統(tǒng)頻率測(cè)量的精度和穩(wěn)定性。盡可能減小頻率測(cè)量的誤差。

3.6電源部分設(shè)計(jì)

電源是電子產(chǎn)品中一個(gè)組成部分，為了使電路性能穩(wěn)定，往往還需要穩(wěn)定電源。由于便攜式電子產(chǎn)品是獨(dú)立的，可脫離室內(nèi)環(huán)境的工作的設(shè)備，所以設(shè)備必須有自己的獨(dú)立供電裝置，一般采用電池供電，如何使穩(wěn)壓電源部分性能滿足電路的要求、耗電省(能延長(zhǎng)電池的壽命)、安全性好、占空間小、重量輕是設(shè)計(jì)便攜式電子產(chǎn)品中一個(gè)重要任務(wù)。由于各種便攜式電子產(chǎn)品發(fā)展迅猛，因此各半導(dǎo)體器件廠紛紛開發(fā)出各種適合便攜式電子產(chǎn)品要求的新型電源IC，并給出各種典型應(yīng)用電路，使電源設(shè)計(jì)工作變得較為簡(jiǎn)單，即電源設(shè)計(jì)工作是根據(jù)產(chǎn)品的要求來(lái)選擇合適的電源IC.

所以針對(duì)本課題，我們?cè)O(shè)計(jì)了一套由電池供電電路，并且仍然提供了通過(guò)直流適配器直接對(duì)儀器供電的室內(nèi)供電模式。在電源IC芯片的選擇上我們主要考慮以下幾個(gè)依據(jù)：

自身工作電壓和電流比較小，并且耗電量低;

封裝尺寸小;基本所有電源部分所用芯片，均采用貼片式，減小所占空間;

輸出電壓精度高，效率高，輸出紋波及噪聲電壓小。

所選取的涉及變壓輸出部分的TPS7350、MAX755等輸出電壓精度都在±2%左右，能夠滿足系統(tǒng)內(nèi)部芯片工作需要。同時(shí)設(shè)計(jì)中，考慮到通道中各種芯片所需供電電壓，并且為避免ARM以及ARM復(fù)位芯片同F(xiàn)PGA及通道其它芯片共用同一個(gè)數(shù)字3.3V可能出現(xiàn)的相互干擾，我們通過(guò)電源芯片將電池的輸出電壓變壓為模擬±5V、數(shù)字5V、數(shù)字3.3V(提供給ARM單獨(dú)使用)、數(shù)字3.3V(提供給FPGA和其他芯片數(shù)字電平使用)、數(shù)字1.5V.

電源部分具體結(jié)構(gòu)如下圖3-25所示，利用CD4013雙D觸發(fā)器，設(shè)計(jì)為本設(shè)計(jì)功率分析儀提供電源控制分為硬件開關(guān)機(jī)和軟件關(guān)機(jī)兩種。由觸發(fā)器輸出控制繼電器選通電池供電或直流適配器供電。并且該電源工作狀態(tài)都將被ARM程序監(jiān)控，用戶可通過(guò)顯示屏幕了解供電情況以及電池電量情況。