低频数字相位(频率)测量的CPLD实现

在电子测量技术中，测频测相是最基本的测量之一。相位测量仪是电子领域的常用仪器，当前测频测相主要是运用等精度测频、PLL锁相环测相的方法。研究发现，等精度测频法具有在整个测频范围内保持恒定的高精度的特点，但是该原理不能用于测量相位。PLL锁相环测相可以实现等精度测相，但电路调试较复杂。因此，选择直接测相法作为低频测相仪的测试方法[1、2、3、4]。
设计的低频测相仪，满足以下的技术指标：a .频率20-20KHz；b .输入阻抗≥100KΩ；c.相位测量绝对误差≤1度； d.具有频率测量和数字显示功能；e.显示相位读数为0度--359度。
1系统工作原理



图1 测频测相系统原理框图
Figure 1 frame of measure frequency phase system

系统工作原理如图1所示，系统运行时，首先由单片机通过clr控制线送清零信号，启动CPLD的计数模块，在设计的CPLD内部控制模块作用下，记录AB两相的相差间隔时间内的标频个数（测相计数器），同时也记录下A相一个周期内的标频个数（测频计数器），此后测频和测相计数器处于保持状态，同时送出right信号表明完成测频测相的计数，单片机可以读数据。
     
单片机和CPLD的数据采用独立接口方式，这样设计比较灵活，可以不受单片机总线时序的影响。由ADD[0..2]进行控制，分别读取测频测相计数器中的19位数据，并存于单片机中，进行后续的计算。单片机完成数据的运算后，将所得数据转化为10进制，送到显示板进行显示。显示板共有8个数码管，其中，前5位用于显示频率（最大为20000Hz）,后三位显示相位（最大为359度）。
    
在CPLD设计中，根据计算，选取测频、测相计数器长度均为19位，在标频信号为10MHz时，相位测量精度小于1度。若只用89C51，其自带的计数器只有16位，且不易同时实现测频测相的功能。故选用CPLD实现其测频测相的计数功能，并设计了独立的数据接口，以便与单片机交换数据[5、6]。[page]

2 CPLD测频测相模块工作原理



图2  CPLD测频测相内部原理框图
     
如图2所示，利用VHDL语言设计了完成测频测相计数功能的数字芯片。整个芯片由测频计数器、测相计数器、控制部分、数据选择器和测试用分频器5个部分组成。
     
控制部分主要是利用状态机原理，设计了检测一个测频周期的控制电路。在clr信号为高时，启动测频测相计数器，此时，状态机处于计数工作状态；当A相第一个上升沿到来时，测频测相计数器同时启动，开始计数；当B相第一个上升沿到来时，控制部分控制测相计数器停止计数；当A相第二个上升沿到来时，控制部分控制测频计数器停止计数，同时送出计数完成信号right；此后测频测相计数器处于保持状态。[page]

     
单片机读数时，通过设置add[0..2]数据选择器的地址选通端，依次送出测频计数器中的19位数据，8位一组，从xcout[0..7]端口送出，单片机需分3次读完测频计数器中的19位数据，数据选通端设置为001，010，011；同理，单片机也需分3次读完测相计数器中的19位数据，数据选通端设置为100，101，110。
    
为了测试方便，设计了测试用分频器，该分频器系数可以在VHDL源程序中改动，如为1000，则将测试时用的标频信号10M进行1000分频，分频后频率为10KHz，正好处于20-20KHz范围内。

3 单片机程序



如图3所示，系统上电后，首先由单片机送出清零信号，启动CPLD中的测频测相计数器，CPLD进行测频测相的计数，单片机查询到right=1，则表明计数器完成计数工作，开始读取CPLD中的数据。否则，就等待。单片机通过控制CPLD中数据选择器的地址选通端add[0..7]，分别读取测频、测相计数器的19位数据，并进行相应的计算。计算中首先调用频率计算子程序，计算出相应的频率，然后再调用相位计算子程序，计算出相应的相位，再调用进制转换程序，将16进制的数转换成10进制，最后调用显示子程需，在8位数码管中显示出测量的频率、相位值。由于篇幅关系，此处不再详述具体程序和显示部分的设计。

4 结束语

由单片机晶振产生的6M信号，经过一个与非门整形为矩形脉冲，再经过CPLD7128的内部设计的分频器分频（分频系数为1000、2000、3000、4000），由该系统进行测频测相。AB二相的信号加上一个反相器，则从理论上讲，相位相差180度。实际测量结果为，频率分别是6000、3000、2000、1500Hz，相位为180度，与理论完全符合。利用DDS数字移相信号发生器产生不同频率和相位差的信号实测证实，该系统指标符合设计要求。
随着EDA（电子设计自动化）技术和微电子技术的进步，CPLD的时钟延迟可达到 级，结合其并行工作方式，在超高速、实时测控方面有非常广阔的应用前景；并且CPLD&FPGA具有高集成度、高可靠性，几乎可将整个设计系统下载于同一芯片中，实现所谓片上系统(SOPC)，从而大大缩小其体积，具有可编程型和实现方案容易改动的特点，有利于产品的研制和后期升级[7]。
CPLD7128大约有128个触发器，程序中AB两相计数器共用了19+19=38个，控制部分用了4个，还剩下了大约128-42=86个（其他模块还有少量的占用）。 CPLD7128的计数频率最高可175.4MHz，若提高标频信号的频率为175 MHz，同时增加计数器的长度，则测相精度从理论上讲可以达到0.04度。
采用CPLD配合单片机的设计方案，具有造价较低、速度高、精度高的优点，并且可以通过软件下载而达到仪器硬件升级的目的。