3.5.4頻率計數電路

計數的功能是在FPGA中實現(xiàn)。計數電路我們采用門控計數法測，它由門控電路和計數電路構成。根據門控計數法測量原理：

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，在該時間內對被測信號的周期累加計數(若計數值為N)，根據fx =N/T得到頻率值。為實現(xiàn)時間(這里指時間間隔)的數字化測量，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所包含的時間單位數(計數)得到。

測量原理

將需累加計數的信號(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(計數允許)與關閉(計數停止)。

3.5.4.1門控電路

由前文設計分析中可以看出，提高頻率測量精度應該從兩個方面入手，除了設置可變分頻比的信號預分頻方法外，適當延長頻率計數模塊計數時長，也可以達到提高頻率測量精度的目的。所以在設計中，我們同時使用這兩種方法完成頻率測量設計。由于頻率計數模塊計數時長決定了頻率測量的響應速度，為了保證測量響應速度不至于太慢，導致用戶使用不便以及測量數據失去實時性，我們使用的該頻率的測量是對1s門內的信號進行計數。頻率是單位時間內信號的個數，故計數器得到的計數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，產生1秒的門控。

3.5.4.2計數電路

信號和門控信號相與。當門控選通后，信號被選通進入計數電路。由于前面的預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，則對設計最高頻率的信號，計數器計數23437500個脈沖，則應該設計25位的二進制計數器。將被計數時鐘信號同計數使能信號，計數使能信號經非門的反轉信號一起相與，并送入計數器計數時鐘輸入端，實現(xiàn)多周期同步頻率計數法。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，作為一次計數完成的標志信號，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

影響頻率計數器精度的關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鍵因素。晶振的誤差主要是受到溫度影響，導致晶振的頻率的偏差。為了得到準確的門控信號，在該設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℃。溫度傳感器內部包括傳感器，10位的A/D轉換器，并包括地址指針寄存器、溫度值寄存器、T OTI點設置寄存器、T HYST點設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轉換器將獲得的溫度值轉換成數字信號存儲在溫度值寄存器內。如下表3-3所示，被測溫度與數字輸出的對應關系，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頻率計數誤差分析

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

量化誤差的產生原因是，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閉的時間與被測信號不同步，使得在閘門開始和結束時刻有一部分時間零頭沒有被計算在內而造成的測量誤差。[!--empirenews.page--]

式中T s——閘門時間;

f x——被測頻率;

ΔN為最大計數誤差。

但是無論計數值N為多少，其最大計數誤差不超過±1個計數單位。

而觸發(fā)誤差是由于輸入信號都需經過通道電路放大、整形等，得到脈沖信號，即將輸入信號轉換為脈沖信號。這種轉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。由此產生的測量誤差稱為“觸發(fā)誤差”，也稱為“轉換誤差”。這一誤差在實際設計中的影響較小。

標準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、準確度、分頻電路和閘門開關速度以及穩(wěn)定性等因素。在設計計數器時，盡量減小和消除整形、分頻電路和閘門開關速度的影響，石英振蕩器的頻率為f c，分頻系數為k，則

綜上所述，可等到：

計數器測頻率的誤差主要有：計數誤差、標準頻率誤差。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分頻器，簡化頻率測量電路設計，并在頻率測量通道上加入適當濾波設計，減小觸發(fā)誤差的影響。使得系統(tǒng)的主要誤差轉成由于產生FPGA工作時鐘的外部晶振造成的標準頻率誤差。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電源部分設計

電源是電子產品中一個組成部分，為了使電路性能穩(wěn)定，往往還需要穩(wěn)定電源。由于便攜式電子產品是獨立的，可脫離室內環(huán)境的工作的設備，所以設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、重量輕是設計便攜式電子產品中一個重要任務。由于各種便攜式電子產品發(fā)展迅猛，因此各半導體器件廠紛紛開發(fā)出各種適合便攜式電子產品要求的新型電源IC，并給出各種典型應用電路，使電源設計工作變得較為簡單，即電源設計工作是根據產品的要求來選擇合適的電源IC.

所以針對本課題，我們設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：

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)內部芯片工作需要。同時設計中，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復位芯片同F(xiàn)PGA及通道其它芯片共用同一個數字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、數字5V、數字3.3V(提供給ARM單獨使用)、數字3.3V(提供給FPGA和其他芯片數字電平使用)、數字1.5V.

電源部分具體結構如下圖3-25所示，利用CD4013雙D觸發(fā)器，設計為本設計功率分析儀提供電源控制分為硬件開關機和軟件關機兩種。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。