一種基于FPGA小信號寬頻帶數字頻率計的設計

裴林廷 黃世玲

摘 要：以FPGA和單片機系統為核心，給出了針對小信號寬頻帶的頻率測量方案。采用高速運放AD8009和高速比較器AD8611將微弱的小信號進行放大并整形為TTL電平，詳細重點的介紹了頻率計前端電路的設計要點和信號干擾問題。利用VHDL語言編寫等精度測量原理控制器，實現了精度達10-6的高精度數字頻率計。

關鍵詞：FPGA；數字頻率計；正弦波整形；AD8611

引言

目前數字頻率計的設計，利用高穩定度的晶體振蕩器結合高速的智能化芯片作為硬件，采用等精度頻率測量算法可實現高精度寬頻率范圍的測量。但是，隨著頻率計應用領域的不斷推廣，對頻率計的要求也不只是停留在測量標準信號TTL電平上，如在微波通信應用領域，通常需要用頻率計對小信號高頻率的通信信號進行校準，因此設計一種小信號寬頻帶數字頻率計是非常有必要的。

1 數字頻率計主要技術指標

（1）被測信號為正弦波，頻率范圍1Hz～100MHz；（2）被測信號有效值電壓范圍為10mV～50mV；（3）測量相對誤差的絕對值不大于10-6；（4）測量數據刷新時間不大于2s。

2 頻率計前端設計

頻率計前端主要由小信號放大電路與整形電路組成，文章設計的頻率計前端電路圖如圖1所示。

2.1 小信號放大電路分析

寬頻帶的小信號放大電路的設計通常使用速度運算放大器來完成，文章頻率計采用ad8009芯片作為前端小信號放大器，該芯片在處理小信號放大倍數G=+10時，信號帶寬為320MHz。如圖1所示放大倍數由電阻RF和RG決定，計算公式如下：

AV=Vi（1+RF/RG） （1）

2.2 整形電路分析

傳統的整形電路有過零比較器或者使用施密特觸發器芯片如74HC14，經過實驗驗證，過零比較器不適合高頻信號的整形，容易在過零點產生干擾振蕩輸出；而施密特觸發器74HC14滯后電壓VH為1.25V，正向閾值為VT+=3.14V，負向閾值為VT-=1.89V，另一方面，74HC14的傳輸延時為12ns，無法滿足100MHz信號的要求。

文章采用的整形電路以ad8611高速比較器為主，根據芯片手冊可查得該比較器的傳輸延時為4ns，采用單電源5V供電。由ad8611比較器、電阻R4、R5和參考電壓vref=2.7V組成施密特觸發器。該電路的閾值電壓計算如下：

VT+=（VCC-1.5*vref）-vref （2）

VT-=vref （3）

公式2中VCC為電源電壓5V，vref為參考電壓2.7V。由公式2和公式3可得VH=VT+-VT-，因此，該電路的輸入信號范圍可以通過R4與R5進行調節。

文章設計了一個由三極管2N5551組成的射極跟隨器以減小比較器的源輸入電阻，同時該跟隨器起到將小信號放大器的輸出信號電平提升到施密特觸發器的參考電平。通過ad8611整形電路輸出的方波信號幅度為3.5V左右，因此需要通過后級接非門的方式使輸出電平為TTL電平，通過并聯非門能達到增強電路的驅動能力的效果，非門使用快速信號傳輸的74F04芯片。

2.3 抗干擾電路設計

小信號高頻電路容易受到外界的噪聲干擾，所以在電路處理方面要做好PCB及器件的抗干擾設計，文章從以下幾個方面進行考慮：

（1）輸入輸出信號的接口及連接線選擇：電路輸入與輸出接口統一采用BNC接頭進行連接，在連接線方面采用屏蔽連接線。

（2）加入濾波電容：濾波電源C1、C4、C2、C5、C3、C6、C9、C10、C11、

C12電容的接在芯片電源引腳與地之間，能有效得起到穩定電源和濾去干擾信號的作用。

（3）PCB的設計：在PCB電路設計方面主要考慮信號傳輸線盡量短，并且對地線進行平面銅覆蓋。

3 頻率計主控制系統設計

3.1 頻率測量算法

等精度測量原理可簡單的理解為在一定時間的門控信號內對待測量頻率FX與標準頻率FC同時進行計數測量，而門控信號的開啟由FX上升沿決定，門控信號的關閉也由FX下降沿決定，測量頻率的計算等式如下：

FX/NX=FC/NC （4）

公式4中，NX與NC分別為在門控信號開啟時間內，測量待測頻率與標準頻率的脈沖個數。并且從公式4中可知，FX受門控信號控制，所以NX的值為整數，而NC可能出現±1的測量誤差，另外，在FPGA系統中采用了50MHz的晶體振蕩器作為標準頻率時鐘，精度可達10-7，因此采用FPGA系統作等精度測量頻率誤差小，穩定度高。

3.2數據處理與顯示

FPGA等精度測量的門控制信號由單片機系統發出，用單片機定時產生1秒時間的門控制信號。當FPGA系統開始測量后，通過VHDL語言編程實現測量結束后發出信號通知單片機讀取測量的計數NX與NC。測量數據讀回單片機系統后，需要進行公式4的計算才能得到測量頻率。頻率計的顯示器用傳統的LCD1602進行顯示。

4 結束語

文章詳細給出的小信號放大整形電路的設計方案，并提出了高頻小信號的抗干擾處理方法。經過設計與制作實現了對頻率范圍為1Hz～100MHz，幅度為10mV～50mV的正弦波信號的精確測量，使數字頻率計得到了更廣泛的應用。

參考文獻

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