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(biāo))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(biāo)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(dāng)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(zhǔn)。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(dāng)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(biāo)志信號，通過讀取該標(biāo)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(zhǔn)確的門控信號，在該設(shè)計中加入溫度傳感器，通過獲得當(dāng)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(dāng)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(biāo)準(zhǔn)頻率誤差。

量化誤差的產(chǎn)生原因是，在測頻是由于標(biāo)準(zhǔn)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。[!--empirenews.page--]

式中T s——閘門時間;

f x——被測頻率;

ΔN為最大計數(shù)誤差。

但是無論計數(shù)值N為多少，其最大計數(shù)誤差不超過±1個計數(shù)單位。

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

標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差是因為測頻時量化誤差是閘門開啟時間的相對誤差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)計計數(shù)器時，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：

計數(shù)器測頻率的誤差主要有：計數(shù)誤差、標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差。一般，總誤差可采用分項誤差絕對值合成，即：

在實際設(shè)計中，我們采用多周期同步測頻法，在很大程度上降低了量化誤差。通過選用高性能高集成度的預(yù)分頻器，簡化頻率測量電路設(shè)計，并在頻率測量通道上加入適當(dāng)濾波設(shè)計，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工作時鐘的外部晶振造成的標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差。通過選用更高精度的，更高穩(wěn)定度的晶振可以提高系統(tǒng)頻率測量的精度和穩(wěn)定性。盡可能減小頻率測量的誤差。

3.6電源部分設(shè)計

電源是電子產(chǎn)品中一個組成部分，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(能延長電池的壽命)、安全性好、占空間小、重量輕是設(shè)計便攜式電子產(chǎn)品中一個重要任務(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)計工作變得較為簡單，即電源設(shè)計工作是根據(jù)產(chǎn)品的要求來選擇合適的電源IC.

所以針對本課題，我們設(shè)計了一套由電池供電電路，并且仍然提供了通過直流適配器直接對儀器供電的室內(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。同時設(shè)計中，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數(shù)字3.3V可能出現(xiàn)的相互干擾，我們通過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)計為本設(shè)計功率分析儀提供電源控制分為硬件開關(guān)機和軟件關(guān)機兩種。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，用戶可通過顯示屏幕了解供電情況以及電池電量情況。