基于FPGA的数字频率计的设计

徐冬冬 闫嘉琪

摘要：本设计选用FPGA作为数据处理与系统控制的核心，制作了一款超高精度的数字频率计，其优点在于采用了自动增益控制电路（AGC）和等精度测量法。AGC电路可将不同频率、不同幅度的待测信号，放大至基本相同的幅度，且高于后级滞回比较器的窗口电压，有效解决了待测信号输入电压变化大、频率范围广的问题。频率等参数的测量采用闸门时间为1s的等精度测量法。闸门时间与待测信号同步，避免了对被测信号计数所产生±1个字的误差，提高了系统精度。

关键词：FPGA;超高精度数字盘频率计;等精度测量法;自动增益控制电路

中图分类号：TM935.13  文献标识码：A  文章编号：1007-9416（2020）06-0000-00

0 引言

电子技术中，频率是最基本的参数之一，且与许多电参量的测量方案、测量结果都有十分密切的关系。数字频率计是电子测量与仪表技术最基础的电子仪器之一，是计算机、通讯设备、音频视频等科研生产领域不可缺少的测量仪器。与传统的频率计相比，数字频率计具有精度高、测量范围大、可靠性好等优点，是频率测量的重要手段之一。

1 设计方案工作原理

1.1 系统方案

1.1.1 宽带通道放大器

方案一：OPA690固定增益直接放大。由于待测信号频率范围广，电压范围大，故选用宽带运算放大器OPA69，5V双电源供电，对所有待测信号进行较大倍数的固定增益。对于输入的正弦波信号，经过OPA690的固定增益，小信号得到放大，大信号削顶失真，所以均可达到后级滞回比较器电路的窗口电压。

方案二：基于VCA810的自动增益控制（AGC）。AGC电路实时调整高带宽压控运算放大器VCA810的增益控制电压，通过负反馈使得放大后的信号幅度基本保持恒定。

尽管方案一中的OPA690是高速放大器，但是单级增益仅能满足本题基本部分的要求，而在放大高频段的小信号时，增益带宽积的限制使得该方案无法达到发挥部分在频率和幅度上的要求[1]。

方案二中采用VCA810与OPA690级联放大，并通过外围负反馈电路实现自动增益控制。该方案不仅能够实现稳定可调的输出电压，而且可以解决高频小信号单级放大时的带宽问题。故采用基于VCA810的自动增益控制方案。

1.1.2 脉冲整形电路

因为输入脉冲信号幅度值不固定，当幅值较小时无法进入FPGA进行频率的测量，故采用轨至轨高速比较器TLV3501，响应时间为4.5ns，输出高电平5V，输出低电平0V，这样无需AGC放大即可进入FPGA进行频率测量。

1.1.3 主控电路

方案一：采用诸如MSP430、STM32等传统单片机作为主控芯片。单片机在现实中与FPGA连接，建立并口通信，完成命令与数据的传输。

方案二：在FPGA内部利用逻辑单元搭建片内单片机Avalon，在片内将单片机和测量参数的数字电路系统连接，不连接外部接线[2]。

在硬件电路上，用FPGA片内单片机，除了输入和输出显示等少数电路外，其它大部分电路都可以集成在一片FPGA芯片中，大大降低了电路的复杂程度、减小了体积、电路工作也更加可靠和稳定，速度也大为提高。且在数据传输上简单方便，故主控电路的选择采用方案二。

1.1.4 参数测量方案

频率等参数的测量采用闸门时间为1s的等精度测量法。闸门时间与待测信号同步，避免了对被测信号计数所产生+1个字的误差，提高了系统精度。测量频率时，在闸门时间内同时对待测信号和标准信号（时钟信号）计数，标准信号计数值除以待测信号计数值乘上时钟周期即为待测周期;测量两个信号的时间间隔时，通过异或门将时间间隔转化为周期脉冲信号，通过对脉冲信号等精度测量得到间隔时间[3]。

1.2 技术方案分析比较

系统总体工作流程为：待测信号首先进入自动增益电路，其输出电压增益到一个大于后级滞回比较器窗口电压的固定值，经过比较器电路后，输出给FPGA进行相关参数的测量，并最终显示在屏幕上。在FPGA内部，数字电路系统与片内单片机通信，基于闸门时间为1s的等精度测量算法，测算相关参数[4]。

2 电路设计

2.1 宽带通道放大器分析

宽带通道放大器如图1所示，是一个自动增益控制模块。压控放大器VCA810依靠反馈得到的控制电压控制放大倍数;高速比较器AD8561比较的是VCA810输出信号和预设电压，使用二极管和RC对比较器的输出信号进行检波;TL082将检波得到的电压转换至VCA810的控制电压范围内，使得VCA810能够正常工作; OPA690 起着二级放大与级联缓冲的作用[5]。具体电路连接如图1所示。

3 系统软件设计分析

系统软件流程图如图2所示。

4 结语

频率计是电子测量中常用的仪器设备之一，本文在分析比较几种常用的测频方式的基础上，根据AGC电路的优点和特点，选择用等精度测量法进行数字频率计的设计，利用FPGA设计数字频率计，为提高检测可靠性和效率奠定坚实的基础。

与传统方法相比，利用FPGA和AGC电路设计数字频率计具有很多独特的优点：

（1）硬件以FPGA为主，只有很少的附件，缩小电路板的体积;

（2）AGC电路可以有效解决信号输入电压变化大，频率范围变化广的问题;

（3）等精度测量法可以减少误差，提高系统的精度。

參考文献

[1]张永瑞电子测量技术基础[M].西安：西安电子科技大学出版社，2009.

[2]夏宇闻.Verilog数字系统设计教程[M].北京：北京航空航天大学出版社，2013.

[3]刘凯，顾新.VHDL硬件描述语言与数字逻辑电路设[M]西安：西安电子科技大学出版社，2009.

[4]冈村迪夫OP放大电路设计：从重视再现性设计的基础到实际应用[M].北京：科学出版社，2004.

[5]Sergio，Franco.基于运算放大器和模拟集成电路的电路设计[M].西安：西安交通大学出版社，2004.

收稿日期：2020-04-20

作者简介：徐冬冬（1981—），男，江苏扬州人，博士研究生，研究方向：信号处理。