便携式功率分析仪设计-----频率部分电路设计(二)

最新更新时间:2013-08-24来源: 21ic关键字:便携式  功率分析仪设计  频率部分 手机看文章 扫描二维码
随时随地手机看文章

3.5.4频率计数电路

计数的功能是在FPGA中实现。计数电路我们采用门控计数法测,它由门控电路和计数电路构成。根据门控计数法测量原理:

时间、频率量的特点

频率是在时间轴上无限延伸的,因此,对频率量的测量需确定一个取样时间T,在该时间内对被测信号的周期累加计数(若计数值为N),根据fx =N/T得到频率值。为实现时间(这里指时间间隔)的数字化测量,需将被测时间按尽可能小的时间单位(称为时标)进行量化,通过累计被测时间内所包含的时间单位数(计数)得到。

测量原理

将需累加计数的信号(频率测量时为被测信号,时间测量时为时标信号),由一个“闸门”(主门)控制,并由一个“门控”信号控制闸门的开启(计数允许)与关闭(计数停止)。

3.5.4.1门控电路

由前文设计分析中可以看出,提高频率测量精度应该从两个方面入手,除了设置可变分频比的信号预分频方法外,适当延长频率计数模块计数时长,也可以达到提高频率测量精度的目的。所以在设计中,我们同时使用这两种方法完成频率测量设计。由于频率计数模块计数时长决定了频率测量的响应速度,为了保证测量响应速度不至于太慢,导致用户使用不便以及测量数据失去实时性,我们使用的该频率的测量是对1s门内的信号进行计数。频率是单位时间内信号的个数,故计数器得到的计数值即为信号的频率测量值。除了频率测量中的±1误差,对于测量高频信号的频率,门控信号的精度是频率测量中的关键部分,直接影响到频率的测量精度。所以,在该方案中,门控信号是由高精度的晶振分频产生,并使用温度传感器,对频率的测量进行温度校准。其门控电路在FPGA中的实现,电路如下图3-24.门控电路主要由8个10进制计数器级联对100MHz时钟进行分频。时钟频率为100MHz,则(100×10 6 /10 8)=1s,产生1秒的门控。

 

 

3.5.4.2计数电路

信号和门控信号相与。当门控选通后,信号被选通进入计数电路。由于前面的预分频电路的采用可变分频比,这里暂已1:256分频比为例,闸门时间为1秒,则对设计最高频率的信号,计数器计数23437500个脉冲,则应该设计25位的二进制计数器。将被计数时钟信号同计数使能信号,计数使能信号经非门的反转信号一起相与,并送入计数器计数时钟输入端,实现多周期同步频率计数法。同时,利用门控信号的下降沿触发D触发器,使触发器输出从低到高翻转,作为一次计数完成的标志信号,通过读取该标志,以确认一次频率测量的完成。

3.5.4.3温度传感器

影响频率计数器精度的关键是门控信号的精度。门控信号是由晶振分频得到的,晶振是决定门控信号的关键因素。晶振的误差主要是受到温度影响,导致晶振的频率的偏差。为了得到准确的门控信号,在该设计中加入温度传感器,通过获得当前晶振的环境温度,对晶振的温度进行补偿。

温度补偿选用的是Analog公司的AD7416温度传感器。它的测量温度范围为-45~125℃,精确可达到0.25℃。温度传感器内部包括传感器,10位的A/D转换器,并包括地址指针寄存器、温度值寄存器、T OTI点设置寄存器、T HYST点设置寄存器和配置寄存器等一些可编程的寄存器。通过对T OTI和T HYST设置,可以限制最高温度值。通过编程地址指针寄存器和配置寄存器可以实现对每个寄存器的控制。传感器对周围温度进行测量。A/D转换器将获得的温度值转换成数字信号存储在温度值寄存器内。如下表3-3所示,被测温度与数字输出的对应关系,读取温度值寄存器就可获得最后测得的当前环境温度。

 

 

3.5.4.4频率计数误差分析

系统频率测量误差的主要来源为:计数误差、触发误差、标准频率误差。

量化误差的产生原因是,在测频是由于标准闸门时间信号与被测信号脉冲之间没有必然的联系,他们在时间关系上是完全任意的,或者说他们在时间轴上的相对位置是随机的。这就造成了闸门开启和关闭的时间与被测信号不同步,使得在闸门开始和结束时刻有一部分时间零头没有被计算在内而造成的测量误差。

 

式中T s——闸门时间;

f x——被测频率;

ΔN为最大计数误差。

但是无论计数值N为多少,其最大计数误差不超过±1个计数单位。

而触发误差是由于输入信号都需经过通道电路放大、整形等,得到脉冲信号,即将输入信号转换为脉冲信号。这种转换要求只对信号幅值和波形变换,不能改变其频率。但是,若输入被测信号叠加有干扰信号,则信号的频率(周期)及相对闸门信号的触发点就可能变化。由此产生的测量误差称为“触发误差”,也称为“转换误差”。这一误差在实际设计中的影响较小。

标准频率误差是因为测频时量化误差是闸门开启时间的相对误差ΔT s /T s,它决定于晶振的频率稳定度、准确度、分频电路和闸门开关速度以及稳定性等因素。在设计计数器时,尽量减小和消除整形、分频电路和闸门开关速度的影响,石英振荡器的频率为f c,分频系数为k,则

 

 

综上所述,可等到:

计数器测频率的误差主要有:计数误差、标准频率误差。一般,总误差可采用分项误差绝对值合成,即:

 

 

在实际设计中,我们采用多周期同步测频法,在很大程度上降低了量化误差。通过选用高性能高集成度的预分频器,简化频率测量电路设计,并在频率测量通道上加入适当滤波设计,减小触发误差的影响。使得系统的主要误差转成由于产生FPGA工作时钟的外部晶振造成的标准频率误差。通过选用更高精度的,更高稳定度的晶振可以提高系统频率测量的精度和稳定性。尽可能减小频率测量的误差。

3.6电源部分设计

电源是电子产品中一个组成部分,为了使电路性能稳定,往往还需要稳定电源。由于便携式电子产品是独立的,可脱离室内环境的工作的设备,所以设备必须有自己的独立供电装置,一般采用电池供电,如何使稳压电源部分性能满足电路的要求、耗电省(能延长电池的寿命)、安全性好、占空间小、重量轻是设计便携式电子产品中一个重要任务。由于各种便携式电子产品发展迅猛,因此各半导体器件厂纷纷开发出各种适合便携式电子产品要求的新型电源IC,并给出各种典型应用电路,使电源设计工作变得较为简单,即电源设计工作是根据产品的要求来选择合适的电源IC.

所以针对本课题,我们设计了一套由电池供电电路,并且仍然提供了通过直流适配器直接对仪器供电的室内供电模式。在电源IC芯片的选择上我们主要考虑以下几个依据:

自身工作电压和电流比较小,并且耗电量低;

封装尺寸小;基本所有电源部分所用芯片,均采用贴片式,减小所占空间;

输出电压精度高,效率高,输出纹波及噪声电压小。

所选取的涉及变压输出部分的TPS7350、MAX755等输出电压精度都在±2%左右,能够满足系统内部芯片工作需要。同时设计中,考虑到通道中各种芯片所需供电电压,并且为避免ARM以及ARM复位芯片同FPGA及通道其它芯片共用同一个数字3.3V可能出现的相互干扰,我们通过电源芯片将电池的输出电压变压为模拟±5V、数字5V、数字3.3V(提供给ARM单独使用)、数字3.3V(提供给FPGA和其他芯片数字电平使用)、数字1.5V.

电源部分具体结构如下图3-25所示,利用CD4013双D触发器,设计为本设计功率分析仪提供电源控制分为硬件开关机和软件关机两种。由触发器输出控制继电器选通电池供电或直流适配器供电。并且该电源工作状态都将被ARM程序监控,用户可通过显示屏幕了解供电情况以及电池电量情况。

 

关键字:便携式  功率分析仪设计  频率部分 编辑:探路者 引用地址:便携式功率分析仪设计-----频率部分电路设计(二)

上一篇:便携式功率分析仪设计-----频率部分电路设计(一)
下一篇:便携式功率分析仪设计----功率分析仪软件设计

推荐阅读最新更新时间:2023-10-12 22:25

便携式产品低功耗电路设计的综合考虑
  如今,集成电路和计算机系统正变得越来越复杂。为了适应这一变化,设计师需要在主要设计参数表中考虑功耗的要求。低功率逻辑电路的标准被定义为每一级门电路功耗小于1。3uW/MHz,而在模拟电路中被定义为小于5mW。最终用户认为,低功率系统应该满足低功耗的要求。   对于总体系统设计来说,功耗在设计中的地位已变得越来越重要,这是电子工业发展的必然趋势。电子工业发展总的趋势是提供更小、更轻和功能更强大的最终产品。目前许多产品领域中还出现了无线和便携式的要求,从功率观点看设计任务将变得更加艰巨。电池供电产品性能的目标,就是单个或一组充电电池能维持设备连续几天的工作,比如现已广泛应用的Walkman单放机或蜂窝电话。   另外,
[手机便携]
便携式设备动态电源管理的Linux技术
任何拥有笔记本电脑的人都会察觉,当依靠电池供电时,其便携设备的行为与使用交流主电源供电时不同——显示屏变暗、处理器的时钟变慢、系统只要有可能就会转入待机或睡眠状态。PDA用户也发现,在停止使用一段时间后显示屏将变暗,设备甚至进入睡眠状态。蜂窝电话用户也已经注意到,背景光和按键照明在完成拨号之后会熄灭。事实上,这些可见行为的背后是软硬件技术和节电机制在发挥作用。 全速运行、待机和睡眠等宏观行为利用CPU的固有能力通过降低工作电压或时钟频率来节省功耗。除了全面地改变系统状态外,大多数设备用户察觉不到的是,实际的电源管理也能够逐渐地改变系统状态,这种情况在一秒之内可以发生数百次。 任何动态电源管
[电源管理]
<font color='red'>便携式</font>设备动态电源管理的Linux技术
便携式超声波气体流量计现场使用要注意哪些问题
便携式超声波气体流量计是一种常用的气体流量计产品类型,具有测量精度高、适用范围广、性能稳定、灵敏度高、操作简便、使用寿命长等优点。今天小编主要来介绍一下便携式超声波气体流量计现场使用要注意哪些问题,希望可以帮助到大家。 1 现场比工作中应注意的一些问题 1.1 仪表频率与探头频率的选择 在实际测量中应根据具体的测量管道选择相应的测量频率,仪表的工作频率与探头匹配使用。一般仪表的测量频率在200KHZ到1MHZ频率,其测量范围约从4''到24'',探头的频率一般有三种:200KHZ、500KHZ、1MHZ,其基本规律是频率越低测量管径越大。因此在实际的测量中我们应根据管道选择正确的探头,使之相匹配。
[测试测量]
一种便携式智能血糖测试仪的研制
一、引  言   血糖测试是指对人体血液中葡萄糖浓度的测量。对于糖尿病患者, 血糖浓度是反映病情状况的一个重要指标,需经常性地进行血糖测量以监测病情的发展。因此, 便携式血糖测试仪成为目前发展较快的一类家用医疗仪器, 它使患者在病情较稳定的阶段可以自行监测血糖浓度。本文将介绍一种以单片机为核心的便携式智能血糖测试仪。 二、血糖测量的原理    1. 葡萄糖氧化酶印刷电极   便携式智能血糖测试仪采用一次性使用的葡萄糖氧化酶印刷电极(下简称酶电极) 作为传感器,酶电极的结构如图1所示。 图1  酶电极的结构   给酶电极加恒定的工作电压V , 将被测血样滴在测量点上, 电极
[工业控制]
一种<font color='red'>便携式</font>智能血糖测试仪的研制
BP01型压力传感器及其在便携式电子血压计中的应用
     :介绍了德利康公司的BP01型压力传感器的主要性能和参数给出了一个用BP01作传感器组成的便携式电子血压计的实际电路,并对该应用电路的工作原理进行了说明,同时给出了该便携式电子血压计电路的设计和调试方法。    关键词 :压力传感器;便携式电子血压计;BP01    1 概述   BP01 型压力传感器是为监测血压而专门设计的,主要用于便携式电子血压计。它采用精密厚膜陶瓷芯片和尼龙塑料封装,具有高线性、低噪声和外界应力小的特点;采用内部标定和温度补偿方式,从而提高了测量的精度、稳定性以及可重复性,在全量程范围内,精度为±1%,零点失调不大于±300μV。    2 BP01 的主要性能参数
[工业控制]
新型雷达数字电路便携式自动测试系统设计
  基于对ICT测试、功能测试局限性的深入探讨,以及对边界扫描测试技术的研究与实践,本文提出了“MERGE(组合)”边界扫描测试模型的建立方法,并基于此方法,构建了数字电路便携式自动测试系统,实现了对新型雷达数字电路的高速、准确的测试。系统具有硬件设备小巧、便携,性能稳定、可靠,故障隔离率高等优点,适合于战地级实时维修保障,是大型在线测试、功能测试平台的有效补充,较好的解决了测试设备受制于人及战时应急抢修等问题。   雷达,作为一种重要的军事武器装备,在军事上将其形象的比喻成作战指挥员的“眼睛”,在维护国家安全及领土完整中发挥着举足轻重的作用。但随着数字电路设计及制造技术的发展,特别是CAD设计软件的进步及完善,单一的测试方法
[测试测量]
新型雷达数字电路<font color='red'>便携式</font>自动测试系统<font color='red'>设计</font>
便携式生命体征动态监测仪设计
生命体征监测仪是医院不可缺少的重要设备,它实时、连续、长时间地监测病人的重要医学生理参数,并将获得的数据传送给医护人员,以供医护人员进行分析,使得医护人员能够对病人当前的状态做出正确判断,从而做出正确的处理。便携式生命体征监测仪采用随身式设计,小型轻便,能实时地进行人体多生理参数的监护,最适合于野外及家中,并可用于普通医院作为个人生命参数监护设备。 本文将该设计划分为若干个模块,分块实现各生理参数的测量及处理。选用不同的传感器对各生理参数进行采集,以单片机为控制核心,编程实现对输入信号的处理和输出信号的控制。 1 系统整体设计 1.1 硬件系统设计 系统总体结构框图如图1所示。本设计以AVR单片机ATmega1
[单片机]
<font color='red'>便携式</font>生命体征动态监测仪<font color='red'>设计</font>
DTSec 对便携式医疗设备和糖尿病管理意味着什么
随着网络安全在医疗安全方面发挥着越来越重要的作用,它已成为无线医疗设备开发的主要问题之一。 仅 2022 年,《健康保险流通与责任法案》(HIPAA) 杂志就报告了 707 起数据泄露事件,涉及 500 条或更多记录。IBM 估计医疗保健相关数据泄露的平均总成本为 1010 万美元。 如今,网络犯罪分子同时采用复杂的IT和OT攻击变得越来越常见。 勒索软件即服务正在成为一种更加标准、专业的服务,这进一步加剧了安全问题。 医疗保健领域的安全漏洞使人们面临风险。 虽然无线功能设计改善了信息传输并扩大了医疗设备的优势,但它需要额外的安全措施。 采用无线医疗设备网络安全指南 美国食品和药物管理局 (FDA) 对医疗设备设计中的
[医疗电子]
小广播
最新电源管理文章
换一换 更多 相关热搜器件
随便看看
电子工程世界版权所有 京B2-20211791 京ICP备10001474号-1 电信业务审批[2006]字第258号函 京公网安备 11010802033920号 Copyright © 2005-2024 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved