用ADC实现非标准方波信号的频幅同测

冯晓伟，李正生

（第二炮兵工程学院101教研室，陕西西安710025）

传统的频率测量方法有两种[1-2]：直接测频法和测周期法。直接测频法[3]是在给定的闸门信号中填入被测脉冲，通过必要的计数电路，得到填充脉冲的个数，从而获得待测信号的频率。测周期法[4]是在一个信号周期内记录下基准定时脉冲的个数，然后换算成频率f。而测信号幅度则采用峰值保持电路加ADC完成。笔者在进行课题设计时，遇到了这样一个问题：对某装备输出的频率19±1 kHz、幅度4.3～5.5 V的非标准方波信号，需要测试它的幅度值和频率。对于非标准方波信号幅度和频率的测量，传统方法是采用峰值保持电路和ADC测量幅度值，用脉冲整形电路和计数器测量频率，这样虽然可以完成测试任务，但是测量电路复杂且分离，测量方法不能统一。采用幅度和频率值一体化测量的方法，可以精简测试电路，简化测试方法。

1 ADC测频法概述

单片微型计算机的广泛应用，促进了测量仪表和测量系统的自动化、智能化[5]。使用ADC（Analog-to-Digital Converter，模数转换器）进行数据采集是单片机的一个典型应用。

假如某次对被测周期信号采样结果如图1所示（图中“*”为采样点）。

图1 采样示意图Fig.1 Sketch map of sampling

这里先定义一个特征点的概念，特征点是这样的一个点，它的数值大于或等于设定阈值，而它前一个点的数值小于阈值，如图1中的e点和p点。

程序从第一个测得的点开始，逐点寻找特征点，当找到一个特征点后从该点开始计数（如图1中点e），继续向后逐点查询，直到下一个临近的特征点（如图1中点p），则视两点的时间间隔为一个脉冲周期，该周期值与采样周期和计数值的关系为：

其中，T为被测周期，n为计数值，t为采样周期，其误差为±t，为减小误差可多采样几个脉冲周期，然后取平均值。而这些采样值中的最大值就是被测信号幅度值。

根据Nyquist抽样定理[6]，只要抽样频率大于两倍信号最高频率，则整个连续信号就可以完整地用它的抽样值来代替，而不会丢失掉任何信号。工程中通常以信号最高频率的8倍以上采样，这对于普通的信号采集来说已经足够了，然而本系统为了获得较高的测频精度，采用ADC以最高频率的500倍，即10 MHz的采样频率对被测信号进行采样。

2 硬件设计

由PC104通过CPLD译码控制ADC以一定的频率采样，由FIFO存储采样结果，采样结束后进行数据处理并显示处理结果，系统总体设计方案如图2所示。

图2 系统总体设计方框图Fig.2 Block diagram of sytem overall design

系统电原理图如图3所示，U1为ADC1175，它是一种最大采样速率达20 MHz的8位高速ADC，其模拟电压输入范围为0～2.5 V，而被测信号的幅值为4.3～5.5 V，故需要先对信号幅度进行调理，系统采用一级减法电路将信号幅度减去3.3 V，得到幅值为1.0～2.2 V的方波信号，方波信号的底端经减法器后变为负电压值，而负电压值经ADC转换得到的数值为0，故不影响测频及测幅结果，U3为CY7C4261，它是一种容量为16 kB、读写速度达100 MHz的高速FIFO（先进先出存储器），用于存储ADC的采样结果。3.3 V参考电压由ADR366提供，2.5 V参考电压由ADR361提供，10 MHz高精度采样时钟信号由有源晶振提供。U2是高密度、高性能的CPLD[7]，其型号为EPM7128STC100-10，主要用于对PC104的地址译码，完成对ADC芯片的控制及数据存储工作，1JP2为PC104的ISA总线，完成测试板与PC104的通信工作。

图3 系统原理图Fig.3 System schematic diagrams

3 软件设计

上位机软件基于C++Builder 6.0[8]编写，主要完成系统初始化设置、总线通信控制、数据采样控制、数据的读取与计算、结果显示等工作，ADC以10 MHz的频率对被测信号进行多个周期的采样并同步存储在FIFO中，当FIFO存满后自动停止存储，并由软件从FIFO中读取数据。由于采样频率较高，故在采样开始后FIFO会很快存满，因此不用等待FIFO的中断信号，而是稍作延迟即可开始读取数据。采样结束后的频率计算流程图如图4所示。

3.1 W indows XP下C++Builder对ISA总线的读写控制

上位机系统对ISA总线的端口读写控制最简单的就是使用inport（…）和outport（…）函数，或者通过内嵌汇编语言的方式来实现，这两种端口读写操作方法在Windows 95/98下面工作很正常，但是在Windows NT/2000/XP上就会出现非法指令调用问题，这些非法指令来自于底层对IO端口的直接地址访问。在Windows 95/98时代，这些操作是没有受到保护的，而在Windows NT/2000/XP就会出现保护问题，为了解决这个问题需要使用第三方提供的WinIO程序库[9]。WinIO程序库允许在32位的Windows应用程序中直接对I/O端口和物理内存进行存取操作。通过使用一种内核模式的设备驱动器和其他几种底层编程技巧，它绕过了Windows系统的保护机制。

在需要开始采样前，程序首先调用WinIO函数库提供的InitializeWinIo（）函数初始化WinIO函数库，当需要采样时，程序利用SetPortVal（…）函数通过CPLD译码向ADC、FIFO芯片发出控制命令，系统进行高速采样存储，采样完毕再利用GetPortVal（…）函数读取FIFO中的采样结果并进行相应处理，处理全部结束后调用ShutdownWinIo（）清除WinIO库。

图4 软件流程图Fig.4 Flow chart of software

3.2 CPLD对ADC的高速采样控制

由于C++Builder的定时器组件定时最小单位仅为1 ms，远小于系统对ADC 10 MHz的采样频率频率要求，故不能依靠上位机直接对ADC进行采样控制，而需要采用FIFO作为高速采样存储器。

本系统中使用CPLD作为地址译码译码器，可进行高速采样存储控制，当需要采样时，上位机给出正确的地址码，当CPLD检测到地址码后，便以控制ADC以10 MHz的频率控制采样，并将采样结果存储在FIFO存储器中，采样完毕后再由上位机将FIFO中存储的数据读出并进行后续处理。

4 设计验证

为了验证所述方法的正确性与可行性，制作了硬件电路，并对F05型函数发生器输出的方波信号进行实际测试，测试结果如表1所示。

表1 ADC频幅同测法测试结果Tab.1 The test result of Frequency and Amplitude Measurement by ADC

5 结束语

本文论述了在windows XP系统环境下基于PC104总线对非标准方波信号频幅同测的方法。该方法测试简便、接口简单、可扩展性强，由表1所示测试结果可见，该方法还具有测试精度高等优点。工程应用中需要同时测量方波信号[10]的幅度和频率的场合较多，此方法具有较宽的应用前景。

[1] 周霞，赵雪飞，张红芳，等.基于ARM的等精度测频技术在机组转速测控中的应用[J].水电自动化与大坝监测，2010，34（1）:18-20.ZHOU Xia，ZHAO Xue-fei，ZHANG Hong-fang.Application of ARMbased equal precision frequency measurement method to rotational speed measuring and control system[J].Hydropower Automation and Dam Monitoring，2010，34（1）:18-20.

[2] 刘国华，何华锋，田鹏飞，等.基于PC104总线和CPLD的测频模件设计[J].现代电子技术，2010，33（2）:86-89.LIU Guo-hua，HE Hua-feng，TIAN Peng-fei，et al.Design of frequency measuring module based on PC104 and CPLD[J].Modern Electronic Technique，33（2）:86-89.

[3] 魏钟记，刘峰，汪铭东.数字测频方法及实现[J].电子测量技术，2006，29（4）：28-29.WEI Zhong-ji，LIU Feng，WANG Ming-dong.Digital measure method of frequency and it’s reality[J].Electronic Measurement Technology，2006，29（4）:28-29.

[4] 王宏利，程旭德，徐兵，等.基于AT89C51的智能测频仪设计[J].计算机测量与控制，2007，15（3）:410-412.WANG Hong-li，CHENG Xu-de，XU Bing，et al.Design of intelligent cymometer based on single chip microcomputer AT89C51[J].Computer measurement and Control，2007，15（3）:410-412.

[5] 求是科技.单片机典型模块设计实例导航[M].2版.北京：人民邮电出版社，2008.

[6] 程佩青.数字信号处理教程[M].3版.北京：清华大学出版社，2007.

[7] 宋万杰，罗丰，吴顺君.CPLD技术及其应用[M].西安：西安电子科技大学出版社，2004.

[8] 程展鹏.Borland C++Builder应用开发技术解析[M].北京：清华大学出版社，2003.

[9] 李桂岩，魏宾，贾瑞凤.在C++Builder中实现I/O端口的读写操作[J].硅谷，2009（17）：70-71.LI Gui-yan，WEI Bin，JIA Rui-feng.Realization of I/O port read and writes in C++builder[J].Silicon Valley，2009（17）:70-71.

[10] 王坤.基于SVPWM的STATCOM设计及实现[J].陕西电力，2011，39（1）:11-15.WANG Kun.SVPWMbased design and realization of STATCOM[J].Shaanxi Electric Power，2011，39（1）:11-15.