基于FPGA的頻率采集電路和邏輯設(shè)計

陳奎 孫沛 郭警濤 鄧道杰

摘 要：機(jī)載機(jī)電系統(tǒng)中頻率采集是機(jī)電參數(shù)采集中關(guān)鍵技術(shù)之一，針對系統(tǒng)頻率采集不準(zhǔn)會導(dǎo)致機(jī)電系統(tǒng)電源保護(hù)、動力系統(tǒng)工作狀態(tài)不穩(wěn)定的情況。本文提出一種新的方法進(jìn)行系統(tǒng)頻率采集，首先，將被測頻率信號經(jīng)過E3防護(hù)、濾波、限幅、比較等硬件電路進(jìn)行波形的轉(zhuǎn)換，其次，在FPGA中對輸入信號進(jìn)行同步和濾波，最后，使用周期計數(shù)法完成頻率測量。該頻率采集電路和邏輯設(shè)計技術(shù)具有集成度高、測頻范圍廣、精度高和可靠性高的特點(diǎn)，目前已成功應(yīng)用于機(jī)載產(chǎn)品中。

關(guān)鍵詞：頻率采集；同步濾波；周期計數(shù)法測頻

隨著機(jī)電綜合的發(fā)展，機(jī)電系統(tǒng)對頻率采集的要求越來越高，不僅要采集電源系統(tǒng)的交流電源頻率，還要采集動力系統(tǒng)的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速信號的頻率采集。急需研制一種電壓接口范圍廣、采集頻率范圍寬以及抗干擾能力強(qiáng)的高精度頻率采集電路和邏輯設(shè)計技術(shù)。

傳統(tǒng)的頻率測量電路一般采用模擬電路或處理器直接捕獲的方法實(shí)現(xiàn)，這種方法的缺點(diǎn)為：采集精度低、相應(yīng)周期長，抗干擾能力差以及增大處理器開銷等缺點(diǎn)。

本設(shè)計能有效的提高信號采集抗干擾能力、提高采集精度、減小處理器開銷等特點(diǎn)，并具備接口電壓范圍廣、采集頻率范圍寬等特點(diǎn)。

1 頻率采集電路設(shè)計

機(jī)載機(jī)電系統(tǒng)頻率采集電路共分為：E3防護(hù)、限幅、濾波、放大、二階濾波、波形轉(zhuǎn)換等功能模塊。E3防護(hù)、限幅和濾波電路如圖1所示，放大、二階濾波和波形轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。

1.1 E3防護(hù)電路設(shè)計

如圖1所示，在E3防護(hù)電路中首先采用兩個瞬態(tài)抑制二極管TVS1、TVS2將正負(fù)信號線對地連接，根據(jù)不同的閃電能量要求可以選擇不同功率的瞬態(tài)抑制二極管。當(dāng)外界有瞬時高電壓時，TVS1、TVS2迅速開啟，對地導(dǎo)通，將能量傳遞到產(chǎn)品外殼，完成對后電路的防護(hù)。

在瞬態(tài)抑制二極管后面，分別在輸入信號的正負(fù)線上串入電感L1、L2。在輸入信號瞬時突變時，形成“短路”效應(yīng)，配合瞬態(tài)抑制二極管完成對后級電路的保護(hù)。

在電感的后級，分別在輸入信號的正負(fù)線對地并聯(lián)兩個不同容值的電容，主要完成高頻干擾信號的能力吸收，防護(hù)后級電路。

1.2 限幅和濾波電路設(shè)計

如圖1所示，在限幅和濾波電路中首先在頻率信號的正負(fù)端對地之間設(shè)置兩個兆歐級的電阻R1、R2，通過這兩個電阻將暫時存儲在C1、C2、C3、C4高頻干擾能力釋放掉，避免因能量積累對輸入信號質(zhì)量產(chǎn)生的影響。

然后分別在頻率信號的正負(fù)線上串入千歐級的電阻R3、R4，并在該電阻后配置兩個正反互異的二極管V1、V2。在該設(shè)計下，當(dāng)輸入頻率為正半波時，R3、V2、R4形成回路，二極管V2兩端被限幅到0.7V左右，二極管V1不工作，其余電壓被分壓到電阻R3、R4。當(dāng)輸入頻率為負(fù)半波時，R3、V1、R4形成回路，二極管V1兩端被限幅到-0.7V左右，二極管V2不工作，其余電壓被分壓到電阻R3、R4。

在該電路中R3、R4和C5形成差模濾波電路，截止頻率為：fdiff=1/[2π（（R1+R2）C5）]，其中電阻和電容的值可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整。R3、R4、C6、C7形成共模濾波電路，截止頻率為：fcm=1/（2πR3+C6）=1/（2πR4+C7），其中電阻和電容的值可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整。

1.3 放大電路設(shè)計

如圖2所示，在放大電路的輸入端頻率信號被限幅到-0.7V到+0.7V之間，在該放大電路中采用差分放大器件，放大倍數(shù)設(shè)置為12倍，放大后的信號幅值范圍為：-8.4V到+8.4V之間，便于后級對信號處理，其中差分放大器的放大倍數(shù)具備可配置性，可以根據(jù)需要通過設(shè)置R5的阻值來設(shè)置放大倍數(shù)，以滿足不同的信號處理需求。

1.4 二階濾波電路設(shè)計

如圖2所示，在放大電路后級配置二階濾波電路，其中R6、R7、C8、C9、N2構(gòu)成二階濾波電路，主要完成對放大后的信號進(jìn)行濾波，截止頻率為：f=1/（2π■，其中R6、R7的阻值相同，C8、C9的容值相同。根據(jù)輸入頻率信號的范圍，選取合適電阻和電容值，配置成不同截止頻率的二階濾波電路，滿足系統(tǒng)設(shè)計需求。

1.5 波形轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

如圖2所示，在二階濾波電路的后級設(shè)置波形轉(zhuǎn)換電路，其中R9、R10、R11、R12、N3構(gòu)成波形轉(zhuǎn)換電路，將輸入的正弦信號轉(zhuǎn)化方波信號，并通過二極管V3進(jìn)行限幅，通過電容C11進(jìn)行濾波處理，將處理后的方波輸入到FPGA中采集。

在該電路中通過電阻R11、R12對VCC進(jìn)行分壓，將分壓后電壓值作為比較的基準(zhǔn)，通過電阻R9、R10對二階濾波后的信號進(jìn)行分壓處理，再和基準(zhǔn)進(jìn)行比較，通過N3形成方波。在該比較電路中設(shè)置了門限比較，該設(shè)計能夠過濾掉輸入信號中夾雜的低幅值雜波，避免過零比較電路中出現(xiàn)的信號采集不穩(wěn)定。

2 頻率采集邏輯設(shè)計

在FPGA內(nèi)部，邏輯采用VHDL語言實(shí)現(xiàn)，通過周期計數(shù)器的方法完成頻率測量。周期計算法的原理為：利用基頻對被測信號的一個周期進(jìn)行計數(shù)，得到一個周期內(nèi)的計數(shù)值，并根據(jù)計數(shù)值計算出被測信號頻率，計算公式為：被測信號頻率等于計數(shù)值和基頻周期的乘積倒數(shù)，也可換算為：基頻時鐘周期除以計數(shù)值的商。計數(shù)值可根據(jù)精度需求配置不同的位數(shù)，一般可設(shè)置為16位或32位。

在捕獲被測信號周期時，由于前面采用非過零比較電路，則輸入到FPGA的方波占空比非50%，需要將輸入的頻率信號FRE1200進(jìn)行二分頻處理，變?yōu)镕RE1200/2信號，并對FRE1200/2信號進(jìn)行測量，從該信號的上升沿開始計數(shù)，并在高電平內(nèi)保持計數(shù)，在FRE1200/2信號的下降沿鎖存當(dāng)前計數(shù)值，完成對被測頻率一個周期的計數(shù)。傳統(tǒng)二分頻的邏輯實(shí)現(xiàn)如下：

FRE1200_DIV：process（SYSCLK，RESET_L）

begin

if RESET_L = '0' then

div1200 <= '0' ；

elsif fre1200'event and fre1200 = '1' then

div1200 <= not div1200 ；

end if；

end process FRE1200_DIV；

通過測量發(fā)現(xiàn)，在該邏輯實(shí)現(xiàn)中，由于被測頻率信號有時會存在毛刺，該毛刺被邏輯捕獲，被誤判一個頻率周期，導(dǎo)致頻率測試結(jié)果不準(zhǔn)確，影響采集結(jié)果。

為了解決這一問題，在傳統(tǒng)的二分頻邏輯中增加了兩個延時信號，對被測信號的毛刺進(jìn)行兩次濾波，從而將毛刺消除，確保測頻結(jié)果準(zhǔn)確，邏輯實(shí)現(xiàn)方法如下：

process

begin

wait until SYSCLK'event and SYSCLK

= '1' ；

fre1200_sync0 <= fre1200 ；

fre1200_sync1 <= fre1200_sync0 ；

end process ；

FRE1200_DIV：process（SYSCLK，RESET_L）

begin

if RESET_L = '0' then

div1200 <= '0' ；

elsif SYSCLK'event and SYSCLK = '1' then

if （fre1200_sync0 = '1'） and （fre1200_sync1 = '1'） then

div1200 <= not div1200 ；

end if ；

end if；

end process FRE1200_DIV；

采用優(yōu)化后的邏輯算法有效的解決了信號毛刺對采集精度的影響。

3 結(jié)語

本文在從頻率采集的硬件實(shí)現(xiàn)和邏輯實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，通過對硬件電路設(shè)計的優(yōu)化研究，在硬件電路設(shè)計中配置了E3防護(hù)電路，使該電路具備了放雷電功能；在電路設(shè)計中配置了前級濾波、二階濾波等電路，使該電路具備了抗干擾能力；在電路設(shè)計中配置了限幅電路，使得該電路具備更寬的電壓接口能力。

目前使用這種集E3防護(hù)、抗干擾能力強(qiáng)、電壓接口寬和抗毛刺能力強(qiáng)的頻率采集電路和邏輯設(shè)計，已在某重點(diǎn)科研項(xiàng)目中成功運(yùn)用，同時可以推廣應(yīng)用到其他領(lǐng)域中。

參考文獻(xiàn)：

[1] 白勇，李玉忍，李瑞琴.基于FPGA的飛機(jī)輪速測量系統(tǒng)設(shè)計[J].微處理機(jī).2011（03）.

[2] 張華林.雙偏振調(diào)制大范圍高分辨率瞬時微波頻率測量 [J].中國激光.2014（11）.

[3] 范啟亮.一種簡易數(shù)字頻率計的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J].科技風(fēng).2014（20）.

作者簡介：

陳奎（1985-）， 男， 安徽阜陽人，本科，工程師，研究方向：機(jī)載機(jī)電系統(tǒng)計算機(jī)；

孫沛（1984-）， 男，陜西寶雞人， 碩士，工程師，研究方向：機(jī)載機(jī)電系統(tǒng)計算機(jī)；

郭警濤（1981-），男，陜西禮泉人，碩士，工程師，從事計算機(jī)測量與控制；鄧道杰（1991-），女，湖北荊門人，碩士，助理工程師，主要從事機(jī)載嵌入式設(shè)計。