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頻率測量的方法通常是利用沿觸發(fā)，對方波信號進(jìn)行脈沖計量，因此它的精度比一般其他物理量的精度要高很多。除了測量頻率時(shí)需要用到頻率測量模塊，許多測量型(如測壓，測相等)系統都是通過(guò)轉換電路將所需測量的量轉化為頻率，從而通過(guò)測頻來(lái)提高精度的。所以，提高頻率測量的精度是很有必要的。另外，傳統的頻率測量利用分立器件比較麻煩，精度又比較低，輸入信號要求過(guò)高，很不利于高性能場(chǎng)合應用。 基于上述原因，在等精度測頻法的基礎上，這里給出一種基于CPLD的設計方案。同時(shí)配備多路程控精密放大來(lái)實(shí)現更寬范圍內的信號測頻。這種方案測頻精度很高，對輸入信號要求比較少，適合于很多需要測頻的場(chǎng)合。 1 基于CPLD的數字邏輯器件實(shí)現 復雜可編程邏輯器件(Complex Programmable Logic DeVice，CPLD)是從PAL和GAL器件發(fā)展出來(lái)的，其規模大，結構復雜，屬于大規模集成電路范圍，是一種用戶(hù)根據各自需要而自行構造邏輯功能的數字集成電路。 相對而言，用于測頻的數字邏輯器件，如D觸發(fā)器(74LS74)、與門(mén)(74LS04)、計數器(74LS393)等都是單片數字邏輯器件，不僅使用起來(lái)連接比較繁瑣，而且不利于集成化，很難做到高速、高精度的頻率測量。這么多數字器件構成一個(gè)系統，數字干擾將是一個(gè)很難處理的問(wèn)題，這對模擬小信號的高精度測頻將產(chǎn)生極大的影響。這里使用CPLD時(shí)，通過(guò)Verilog(硬件描述語(yǔ)言)對邏輯器件進(jìn)行編程，可以很容易地在CPLD內部生成上述數字邏輯芯片，且性能更加優(yōu)化。同時(shí)為CPLD配置高精度的40 MHz晶振(精度高達10-8)，對系統高精度測頻非常有利。又利用CPLD的高速、低噪特性，在處理小幅度模擬信號時(shí)，也降低了難度，減少對外圍器件的干擾。 2 多路程控精密放大整形 測頻時(shí)，輸入信號，可以是三角波、正弦波或方波等周期性波形，頻率范圍為0．1 Hz～10 MHz，幅度在10 mV～5 V之間，處理這樣的信號就要折衷考慮。 2．1 多路精密程控放大 小信號的處理至關(guān)重要，它很容易受到外界噪聲的影響，會(huì )影響到測頻的精度。這里經(jīng)過(guò)對高性能的運放選擇，選取TI公司生產(chǎn)的OPA637，它是一款Difet型高速精密運放，具有高共模抑制比、極低噪聲，處理小信號非常合適。電路處理也要非常注意，運放的電源要經(jīng)過(guò)充分去耦才能獲得穩定的效果，而數字電路必須與模擬電路分開(kāi)走線(xiàn)，分開(kāi)供電。在處理噪聲干擾的地線(xiàn)時(shí)，需要用到磁珠隔離等技術(shù)，這樣小信號放大才有保障。 處理不同范圍段的信號時(shí)，需要得到一個(gè)合適的信號處理范圍，一路信號放大顯然是不夠的。需要考慮到采用多路程控放大，這里選擇用模擬開(kāi)關(guān)配合峰值檢波器進(jìn)行通道選擇，現給出各通道放大倍數選擇，如表1所示。 各通道信號放大時(shí)，除使用低噪高精度運放OPA637外，還配合使用視頻放大器AD811，AD844等模擬芯片，均能發(fā)揮良好的效果。 2．2 分段整形設計 處理0．1 Hz～10 MHz的信號，得到穩定度比較高的方波信號，以便于下一級測頻電路處理。方案中選擇了雙路比較器，兩路比較器均接為滯回反饋型，利用反饋到參考端的信號構成正反饋，增強抗干擾能力。低頻段選擇LM311，主要將頻率段在0．1 Hz～0．5 MHz的信號比較為方波，而高頻段選擇MAX913處理的頻率段為0．5～10 MHz。其電路如圖1所示。 3 等精度測頻(相關(guān)計數測頻)設計 等精度測量法就是人為設定一段時(shí)間，由被測信號的上升沿來(lái)控制閘門(mén)的開(kāi)啟和關(guān)閉，測量精度與被測信號頻率無(wú)關(guān)，因而可以保證在整個(gè)測量頻段內的測量精度保持不變。 圖2所示為等精度測量原理時(shí)序圖，等精度測頻法同時(shí)使用兩個(gè)計數器分別對待測信號頻率fx和頻標信號頻率fm在設定的精確門(mén)內進(jìn)行計數，精確門(mén)與預置門(mén)門(mén)限時(shí)間相同，fx的上升沿觸發(fā)精確門(mén)。用兩個(gè)計數器在精確門(mén)內對fx和fm分別計數，若兩個(gè)計數器的計數值分別為M和N，則： 待測信號的頻率為： fx=Mfm／N 必須指出，計數器M對待測脈沖計數，計數是由待測信號上升沿控制，計數值為整數，不存在計數誤差。計數器N對頻標信號計數，由于精確門(mén)的啟閉時(shí)刻對頻標信號來(lái)說(shuō)是隨機的，為非整數，故會(huì )存在±1的誤差。另外，頻標信號由晶振提供，而晶體振蕩器有很高的穩定度，誤差較小。 等精度測頻在CPLD內部的邏輯框圖實(shí)現如圖3所示。 4 結 語(yǔ) 本設計利用CPLD進(jìn)行數字邏輯器件設計，并配合多路精密程控放大，實(shí)現了寬輸入范圍高精度頻率測量，頻率測量穩定度達10 -7，而且將輸入信號的范圍進(jìn)行了有效地拓寬，使這種高精度頻率計的應用領(lǐng)域更加廣泛。同時(shí)，解決了傳統分立數字器件測頻時(shí)存在的問(wèn)題。 |
