一种宽输入范围高精度频率计的设计

2015-03-18 13:09:44   来源:eechina   

关键字: 频率测量  频率计  输入范围

频率测量的方法通常是利用沿触发,对方波信号进行脉冲计量,因此它的精度比一般其他物理量的精度要高很多。除了测量频率时需要用到频率测量模块,许多测量型(如测压,测相等)系统都是通过转换电路将所需测量的量转化为频率,从而通过测频来提高精度的。所以,提高频率测量的精度是很有必要的。另外,传统的频率测量利用分立器件比较麻烦,精度又比较低,输入信号要求过高,很不利于高性能场合应用。  

基于上述原因,在等精度测频法的基础上,这里给出一种基于CPLD的设计方案。同时配备多路程控精密放大来实现更宽范围内的信号测频。这种方案测频精度很高,对输入信号要求比较少,适合于很多需要测频的场合。  

1 基于CPLD的数字逻辑器件实现  

复杂可编程逻辑器件(Complex Programmable Logic DeVice,CPLD)是从PAL和GAL器件发展出来的,其规模大,结构复杂,属于大规模集成电路范围,是一种用户根据各自需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路。  

相对而言,用于测频的数字逻辑器件,如D触发器(74LS74)、与门(74LS04)、计数器(74LS393)等都是单片数字逻辑器件,不仅使用起来连接比较繁琐,而且不利于集成化,很难做到高速、高精度的频率测量。这么多数字器件构成一个系统,数字干扰将是一个很难处理的问题,这对模拟小信号的高精度测频将产生极大的影响。这里使用CPLD时,通过Verilog(硬件描述语言)对逻辑器件进行编程,可以很容易地在CPLD内部生成上述数字逻辑芯片,且性能更加优化。同时为CPLD配置高精度的40 MHz晶振(精度高达10-8),对系统高精度测频非常有利。又利用CPLD的高速、低噪特性,在处理小幅度模拟信号时,也降低了难度,减少对外围器件的干扰。  

2 多路程控精密放大整形  

测频时,输入信号,可以是三角波、正弦波或方波等周期性波形,频率范围为0.1 Hz~10 MHz,幅度在10 mV~5 V之间,处理这样的信号就要折衷考虑。  

2.1 多路精密程控放大  

小信号的处理至关重要,它很容易受到外界噪声的影响,会影响到测频的精度。这里经过对高性能的运放选择,选取TI公司生产的OPA637,它是一款Difet型高速精密运放,具有高共模抑制比、极低噪声,处理小信号非常合适。电路处理也要非常注意,运放的电源要经过充分去耦才能获得稳定的效果,而数字电路必须与模拟电路分开走线,分开供电。在处理噪声干扰的地线时,需要用到磁珠隔离等技术,这样小信号放大才有保障。  

处理不同范围段的信号时,需要得到一个合适的信号处理范围,一路信号放大显然是不够的。需要考虑到采用多路程控放大,这里选择用模拟开关配合峰值检波器进行通道选择,现给出各通道放大倍数选择,如表1所示。  

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各通道信号放大时,除使用低噪高精度运放OPA637外,还配合使用视频放大器AD811,AD844等模拟芯片,均能发挥良好的效果。  

2.2 分段整形设计  

处理0.1 Hz~10 MHz的信号,得到稳定度比较高的方波信号,以便于下一级测频电路处理。方案中选择了双路比较器,两路比较器均接为滞回反馈型,利用反馈到参考端的信号构成正反馈,增强抗干扰能力。低频段选择LM311,主要将频率段在0.1 Hz~0.5 MHz的信号比较为方波,而高频段选择MAX913处理的频率段为0.5~10 MHz。其电路如图1所示。  
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编辑:什么鱼
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