基于FPGA的宽频带数字频率计设计与实现

王杰铃+李琪+王道平+杨晶晶

摘 要：针对传统数字频率计测量频率范围小、信号幅度大的问题，基于FPGA提出了一种结合分频技术及高精度跟随放大电路实现的测量方案。本设计以C8051F020单片机为主控制器，运用直接测周法和等精度测量法，实现对待测信号频率及脉宽的测量，最后将所得数据传输给单片机进行处理，并将结果显示在TFT液晶显示屏上。经实验验证，满足小信号和超高频信号精确测量的要求，可实现对幅度最低50 mV，频率最高1 GHz信号的测量，且测量精度较高，相对误差小于1×10-4.

关键词：FPGA；C8051F020单片机；数字频率计；分频

中图分类号：TM935.13+3 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.15.009

科学技术的迅猛发展，尤其是微控制器、FPGA、集成IC等新兴电子技术的快速进步，降低了硬件电路的复杂度，使仪器仪表向着体积小、价格低、功能多的方向发展，进一步推动了仪器仪表的更新换代。作为一种基础测量仪器，频率计在工业领域及实验测试领域应用十分广泛，但现在常用的频率计，其检测范围及精度都存在一定的局限。

本设计采用C8051F020和FPGA结合的技术，综合运用了跟随放大、分频、整流的前端电路设计，使得频率计的测量范围更广，测试内容更加多样化，测试方式更加灵活，实现了在宽频带范围内的高精度测量，解决了高精度频率测量问题、频标比对及校准问题，从而使得本设计可以取代用途单一的专用测量仪器。

1 硬件电路设计

1.1 硬件总体设计

硬件总体设计如图1所示，其主要分为以下3个部分：①单片机部分，主要实现对整个系统的控制，包括按键电路和显示电路；②FPGA部分，主要实现对信号的采集、处理和分析，并通过SPI总线与单片机进行数据传输；③信号调理电路，主要完成对被测信号的预处理，使频率计能满足测量小信号和超高频的条件，被测信号频率在10 MHz以内不分频，经信号调理电路后直接送入FPGA进行分析。信号在10M以上的，先将信号放大，然后经过256分频，将分频后的信号送入FPGA分析。

1.2 单片机及FPGA模块

本设计以C8051F020单片机为控制核心，以Altera公司的EP2C5T144C8N为运算处理器。C8051F020单片机是完全集成的混合信号系统级芯片，片内集成了数据采集和控制系统中常用的模拟部件、数字外设及其他功能部件。本设计主要应用了该单片机的控制功能。EP2C5T144C8N有4 068个逻辑单元以及13个18×18乘法器，运算处理能力强大，速度较快。本设计主要应用了该芯片的运算功能。放大的跟随电路如图2所示。

1.3 10 M以下宽带放大器设计

频率在10 M以下时，首先经AD811放大器对被测信号进行前级放大；将放大后的信号送入OPA690跟随器，对信号进行隔离，再经差分放大电路放大；后经MC10116放大器进行三级放大，将信号转换为ECL电平，最后经74LS04六输入非门将ECL电平信号转化成TTL电平送入FPGA进行分析。信号调理电路如3所示。

1.4 10 MHz到GHz分频模块电路设计

10M以上采用分频技术，首先将信号送入OPA657放大器放大。OPA657芯片带宽为1.6 GHz，完全满足高频要求，它对小信号的放大作用也特别明显。然后将放大后的信号进行256分频，然后转换为TTL电平后进入FPGA进行分析。前级放大电路如图4所示。

2 程序设计

本系统由FPGA测频模块、C8051F020单片机控制模块和整形电路组成。FPGA测频模块以Altera公司的EP2C5T144C8N为核心器件，搭接外部时钟电路、电源电路和AS、JTAG为核心器件，搭接电源电路、外部晶振、复位电路和TFT液晶显示电路，共同组成C8051F020单片机控制模块，搭接分频电路、宽带通道放大电路和电源，共同组成整形电路模块。

2.1 FPGA代码设计

FPGA主要完成测量待测信号频率，对输入信号个数和标准信号个数进行计数等工作；或采用测周法测量输入信号脉宽，对输入待测信号的高电平时间进行计数，并将测量得到的数据通过SPI通信发送给C8051单片机进行处理。FPGA项目结构如图5所示。

2.2 C8051F020单片机程序设计

系统的主要流程为：端口初始化、时钟初始化、液晶显示初始化、SPI总线初始化、定时器初始化、发送1 s闸门控制指令、从FPGA读取数据，计算频率、周期、时间间隔、占空比、频比，显示计算结果。

3 测试结果

本设计主要通过对函数发生器发出的正弦波信号和方波信号的测量来检测本设计的可用性，主要测试结果见下表。

4 总结

本设计主要以C8051F020单片机以及FPGA为核心，并结合相应的外围电路，使整个系统测试频率范围大，测试信号幅值范围广。该系统可以对三角波、锯齿波、正弦波及方波等波形进行精确测量，同时还可以对脉冲波的占空比及相位差进行测量。本系统设计控制灵活，造价低廉，实用性很强，具有一定的推广价值。

参考文献

[1]刘竹琴，白泽生.一种基于单片机的数字频率计的实现[J].现代电子技术，2010（1）.

[2]曹巧媛.单片机原理及应用[M].北京：电子工业出版社，2002.

[3]李泽清.Proteus电子电路设计及仿真[M].北京：电子工业出版社，2012.

[4]侯伯亭.VHDL硬件描述语言与数字逻辑电路设计[M].西安：西安电子科技大学出版社，2004.

〔编辑：刘晓芳〕