一种基于FPGA小信号宽频带数字频率计的设计

裴林廷 黄世玲

摘 要：以FPGA和单片机系统为核心，给出了针对小信号宽频带的频率测量方案。采用高速运放AD8009和高速比较器AD8611将微弱的小信号进行放大并整形为TTL电平，详细重点的介绍了频率计前端电路的设计要点和信号干扰问题。利用VHDL语言编写等精度测量原理控制器，实现了精度达10-6的高精度数字频率计。

关键词：FPGA；数字频率计；正弦波整形；AD8611

引言

目前数字频率计的设计，利用高稳定度的晶体振荡器结合高速的智能化芯片作为硬件，采用等精度频率测量算法可实现高精度宽频率范围的测量。但是，随着频率计应用领域的不断推广，对频率计的要求也不只是停留在测量标准信号TTL电平上，如在微波通信应用领域，通常需要用频率计对小信号高频率的通信信号进行校准，因此设计一种小信号宽频带数字频率计是非常有必要的。

1 数字频率计主要技术指标

（1）被测信号为正弦波，频率范围1Hz～100MHz；（2）被测信号有效值电压范围为10mV～50mV；（3）测量相对误差的绝对值不大于10-6；（4）测量数据刷新时间不大于2s。

2 频率计前端设计

频率计前端主要由小信号放大电路与整形电路组成，文章设计的频率计前端电路图如图1所示。

2.1 小信号放大电路分析

宽频带的小信号放大电路的设计通常使用速度运算放大器来完成，文章频率计采用ad8009芯片作为前端小信号放大器，该芯片在处理小信号放大倍数G=+10时，信号带宽为320MHz。如图1所示放大倍数由电阻RF和RG决定，计算公式如下：

AV=Vi（1+RF/RG） （1）

2.2 整形电路分析

传统的整形电路有过零比较器或者使用施密特触发器芯片如74HC14，經过实验验证，过零比较器不适合高频信号的整形，容易在过零点产生干扰振荡输出；而施密特触发器74HC14滞后电压VH为1.25V，正向阈值为VT+=3.14V，负向阈值为VT-=1.89V，另一方面，74HC14的传输延时为12ns，无法满足100MHz信号的要求。

文章采用的整形电路以ad8611高速比较器为主，根据芯片手册可查得该比较器的传输延时为4ns，采用单电源5V供电。由ad8611比较器、电阻R4、R5和参考电压vref=2.7V组成施密特触发器。该电路的阈值电压计算如下：

VT+=（VCC-1.5*vref）-vref （2）

VT-=vref （3）

公式2中VCC为电源电压5V，vref为参考电压2.7V。由公式2和公式3可得VH=VT+-VT-，因此，该电路的输入信号范围可以通过R4与R5进行调节。

文章设计了一个由三极管2N5551组成的射极跟随器以减小比较器的源输入电阻，同时该跟随器起到将小信号放大器的输出信号电平提升到施密特触发器的参考电平。通过ad8611整形电路输出的方波信号幅度为3.5V左右，因此需要通过后级接非门的方式使输出电平为TTL电平，通过并联非门能达到增强电路的驱动能力的效果，非门使用快速信号传输的74F04芯片。

2.3 抗干扰电路设计

小信号高频电路容易受到外界的噪声干扰，所以在电路处理方面要做好PCB及器件的抗干扰设计，文章从以下几个方面进行考虑：

（1）输入输出信号的接口及连接线选择：电路输入与输出接口统一采用BNC接头进行连接，在连接线方面采用屏蔽连接线。

（2）加入滤波电容：滤波电源C1、C4、C2、C5、C3、C6、C9、C10、C11、

C12电容的接在芯片电源引脚与地之间，能有效得起到稳定电源和滤去干扰信号的作用。

（3）PCB的设计：在PCB电路设计方面主要考虑信号传输线尽量短，并且对地线进行平面铜覆盖。

3 频率计主控制系统设计

3.1 频率测量算法

等精度测量原理可简单的理解为在一定时间的门控信号内对待测量频率FX与标准频率FC同时进行计数测量，而门控信号的开启由FX上升沿决定，门控信号的关闭也由FX下降沿决定，测量频率的计算等式如下：

FX/NX=FC/NC （4）

公式4中，NX与NC分别为在门控信号开启时间内，测量待测频率与标准频率的脉冲个数。并且从公式4中可知，FX受门控信号控制，所以NX的值为整数，而NC可能出现±1的测量误差，另外，在FPGA系统中采用了50MHz的晶体振荡器作为标准频率时钟，精度可达10-7，因此采用FPGA系统作等精度测量频率误差小，稳定度高。

3.2数据处理与显示

FPGA等精度测量的门控制信号由单片机系统发出，用单片机定时产生1秒时间的门控制信号。当FPGA系统开始测量后，通过VHDL语言编程实现测量结束后发出信号通知单片机读取测量的计数NX与NC。测量数据读回单片机系统后，需要进行公式4的计算才能得到测量频率。频率计的显示器用传统的LCD1602进行显示。

4 结束语

文章详细给出的小信号放大整形电路的设计方案，并提出了高频小信号的抗干扰处理方法。经过设计与制作实现了对频率范围为1Hz～100MHz，幅度为10mV～50mV的正弦波信号的精确测量，使数字频率计得到了更广泛的应用。

参考文献

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