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剖析基于DSP的简易数字频率计

2021-04-02 15:23 次阅读

采用TMS320F2812 DSP芯片为控制单元,在无需任何门控器件控制的情况下,利用DSP 2812丰富的软件资源实现了等精度测量。根据每个门闸时间内高频标准脉冲的个数与已知被测信号的个数,求得被测信号频率,再通过多次平均得到最终结果。

作品的意义与概况

随着微电子技术和计算机技术的飞速发展, 各种电子测量仪器在原理、功能、精度及自动化水平等方面都发生了巨大的变化, 特别是DSP技术诞生以后,电子测量技术更是迈进了一个全新的时代。近年来,DSP逐渐成为各种电子器件的基础器件,逐渐成为21世纪最具发展潜力的朝阳行业,甚至被誉为信息化数字化时代革命旗手。在电子测量技术中,频率是最基本的参数之一,它与许多电参量和非电量的测量都有着十分密切的关系。例如,许多传感器就是将一些非电量转换成频率来进行测量的,因此频率的测量就显得更为重要。数字频率计是用数字来显示被测信号频率的仪器,被测信号可以是正弦波、方波或其它周期性变化的信号。

数字频率计广泛采用了高速集成电路和大规模集成电路,使得仪器的体积更小、耗电更少、精度和可靠性更高。而传统的频率计测量误差较大,范围也较窄,因此逐渐被新型的数字频率计所代替。基于DSP的等精度频率计以其测量准确、精度高、方便、价格便宜等优势将得到广泛的应用。

我们设计的简易数字频率计在未采用任何门控器件控制的情况下,在很宽的范围内实现了等精度频率测量,0.5Hz~10MHz的范围内测量方波的最大相对误差小于2e-6,测量正弦波的最大相对误差小于3.5e-5;结果通过RS232通讯显示在计算机上,可以很方便地监测数据。

方案设计

总体介绍

传统的等精度测频法使用门控器件产生门控信号,从而实现实际门闸信号与被测信号同步,消除对被测信号计数产生的一个脉冲的误差,其原理图如图1所示。

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图1 传统的等精度测量原理

由硬件控制计数的门闸时间,当预置们信号(即定闸门信号)为高电平时,基准信号计数器CNT1和被测信号计数器CNT2并不启动,而是等被测信号的上升沿来到时才同时开始计数;当预置们信号为低电平时,两个计数器并不马上关闭,同样要等到被测信号上升沿来到后再关闭;于是,实际闸门时间就是被测信号周期的整数倍,从而实现了闸门与被测信号的同步。但是,实际的门闸时间并不固定,与被测信号的频率有关。此外,无论是采用计数器还是单片机,在实现等精度测量时总是离不开门控器件。

本设计基于DSP丰富的软件资源,经过判断和处理,完成了对被测信号频率的等精度测量。硬件上无需任何门控器件,简化了电路。系统框图如图2所示,信号处理部分以TMS320F2812 DSP芯片作为控制和测量的核心;信号调理部分主要是完成对信号的放大、整形和限幅;标准频率信号由30MHz有源晶振产生,作为高频标准填充脉冲;通过DSP的SCI模块与上位机实现通信,结果显示在上位机上。

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图2 系统框图

频率/周期测量

在对被测信号频率和周期的测量中,等精度测量是基于DSP比较匹配时T1PWM引脚输出电平的跳变作为门闸信号的开启和关闭,由于比较匹配发生在被测信号的上升沿,从而实现了门闸时间与被测信号的同步。原理图如图3所示。

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图3 本等精度频率测量原理

通用定时器T1时钟输入选择外部定时器时钟,此处用调理后的被测信号作为定时器T1的时钟输入,定时器T2时钟输入选择内部CPU时钟,用来产生高频标准填充脉冲。F2812片上EVA中通用定时器T1在发生比较匹配事件时,其比较输出引脚T1CMP输出信号会自动改变电平状态,产生PWM波。捕获单元CAP1设置为上升沿捕获,T1PWM输出的PWM波上升沿被CAP1捕获到,读取此时定时器T2的计数值,同理在下一次比较匹配时再次读取定时器T2的计数值。通过两次T2CNT值的相减,即可获得该门闸时间内标准填充脉冲的个数,然后求出被测信号频率。

基于DSP比较匹配时T1PWM引脚输出电平的跳变作为门闸信号的开启和关闭,由于比较匹配发生在被测信号的上升沿,从而实现了门闸时间与被测信号的同步。两个相邻的比较匹配产生的PWM波的上升沿分别作为门闸信号的开启和关闭信号,其中被测信号的个数为整数,并且是由我们自己任意设定的。定时器T2时钟输入选择内部CPU时钟,用来产生标准填充脉冲。设定捕获单元CAP1为上升沿捕获,当其捕获到上升沿时读取堆栈CAPFIFO内的值,在下一次捕获到时再读堆栈内的值,计算出标准填充脉冲的个数Ny,保证Ny的个数不小于一定的值,即可保证门闸时间大于一定的值。

假设现在希望一个门闸时间内高频填充脉冲的总数不小于n,当Ny》n时,就增大定时器T1的定时周期,即增大定时器T1周期寄存器TIPR的值。存在公式T1PR+1=n/Ny,由于n/Ny不一定为整数,假a《n/Ny《a+1(a为整数),则取n/Ny=a+1,表现在被测信号上,则与传统的用硬件控制一样,用下一个被测信号的上升沿作为门闸信号的关闭信号,只不过该上升沿发生在下一次的比较匹配时。然后,再在该门闸时间内读取高频填充脉冲的个数,有Ny≥n,从而得出高精度的被测信号频率。在本设计中,定时器T1并不关闭,前一门闸时间的关闭信号同时作为下一门闸信号的开启信号。

周期测量与频率测量的基本原理完全相同,测出信号频率,根据公T=1/f即可得出被测信号的周期。

误差分析

定时器T1计数的启停时间都是由该信号的上升沿触发的,在一次测量时间内对被测信号的计数无误差;在此时间内标准频率脉冲的计数个数Ny,最多相差一个脉冲,故理论误差为:|d|≤1/Ny

显然,测量精度仅仅与Ny有关,只要Ny值足够大,就能保证精度。

如图4所示,将被测信号经过高速运放OPA2690进行放大,在经过高速比较器TL3016进行整形[3],由于比较器在对低频正弦波信号进行整形时,输出波形的边沿有比较严重的抖动,影响测量。解决办法是对比较器加入正反馈,加速信号边沿,同时形成滞环,可有效消除抖动。整形后的信号经过高速施密特触发SN74LVC1G14进行限幅和进一步整形。

测量部分主要使用DSP2812芯片上定时器T1的时钟输入引脚TCLKINA、定时器T1的比较输出引脚T1PWM和捕获单元CAP1的输入引脚CAP1,即可完成频率测量。通讯部分选择MAX3221作为RS-232电平转换器件,通过9芯标准RS-232口与上位机进行串行通信。主要使用了DSP的串行通信发送引脚SCIRXD和串行通信接收引脚SCITXD。

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软件设计

软件设计部分主要包括以下四部分:

·初始化:对变量参数、系统时钟、PIE、EV、Flash、GPIO等进行配置。

·中断模块:SCI中断和定时器T2、T3上溢中断。

·数据处理模块:分段+取算术平均值。

·输出操作模块:数据经RS-232传给上位机。

图5为测频率、周期软件流程图,图6为定时器2的溢出中断流程图。

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图5 测频率、周期流程图

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图6 定时器T2溢出中断流程图

在该部分初始化时,要进行以下配置:通用定时器T1时钟输入为外部定时器时钟,通用定时器T2时钟输入为内部时钟输入,用来对标准脉冲进行计数,该标准脉冲由外部30MHz的有源晶振提供;捕获单元1设置为上升沿捕获,用来捕获T1PWM引脚输出PWM波的上升沿,在每次比较匹配时读取定时器T2的计数值T2CNT,该值保存在CAP1FIFO内。初始化时要将捕获单元1的状态寄存器中的FIFO堆栈状态设置成空堆栈;

将定时器T1的定时周期设置为4个被测信号的周期长度,通过测得的定时器T1的一个定时周期内的标准脉冲的个数,计算出被测信号频率,然后对被测信号进行分段,分别为低频段(小于46.875Hz),中频段(大于46.875Hz,小于2343.75KHz),以及高频段(大于2343.75 KHz),其中分段的依据是定时器的计数饱和值为65536和计数个数应大于等于1。若信号频率为中高频段则重新配置定时器T1,定时器T2的寄存器,来改变定时周期以及每个门闸时间内的高频填充脉冲的个数。在定时器T1的下一个定时周期内计算出频率和周期。

另外,定时器T2的溢出次数要在第一次发生比较匹配时清零,而是否是第一次发生比较匹配则通过设置一个标志来判断。当溢出次数清零后才开始记溢出次数,直到第二次发生比较匹配。

下一步改进意见

该方法的测量误差主要来自硬件部分,整形电路的优劣直接关系到测量精度的高低。所以我们下一步的工作就是改进整形电路的整形效果和抗干扰性能,尽最大可能减小信号整形带来的误差。

由于DSP定时器在计数时存在计数饱和的情况,因此在实现该等精度测量时存在上限,即当被测信号频率高于高频填充脉冲的频率时,该方法就不能实现等精度了。可以在该方案的基础上进行以下处理:选择定时器T1定时周期内被测信号的个数固定,可设置T1PR为65529,同时将定时器T2的时钟修改为75MHz,这样就能保证每个门闸时间内高频填充脉冲的个数,从而在对高频信号实现频率和周期测量时保证了精度。

但选择定时器T1时钟输入为外部时钟时对被测信号的输入范围存在限制,如果要进一步提高测量的信号的范围,使得范围达到上百兆或上G赫兹,可以考虑相位测量的方法,将被测信号设为360度,根据被测信号与标准信号之间的X度相位差,计算被测信号频率。

参考文献:

1. 张志文,田英峰, 基于的DSP高精度频率测量系统的研究,西安工业大学学报。 2007,

27(2):167-170

2. Texas Instruments Incorporated. TMS320C28x DSP System Control And Interrupts Reference Guide. TEXAS INSTRUMENTS,July 2003

3.全国大学生电子设计竞赛组委会, 全国大学生电子设计竞赛获奖作品汇编, 北京理工大学出版社,2004.8.169-216

4. 徐科军,张瀚,陈智渊,TMS320X281x DSP原理与应用,北京航空航天大学出版社,2006

5. 李宝营,赵永生,祖龙起,牛悦苓,基于单片机的等精度频率计设计,微计算机信息 ( 嵌入式与SOC),2007,23(9-2):152-154

编辑:jq

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MC33761 LDO稳压器 80 mA 1 V 高PSRR 低噪声 带开/关控制

1是一款低压差(LDO)开关稳压器,具有出色的噪声性能。由于其创新设计,该电路在没有外部旁路电容的情况下达到令人印象深刻的40uVRMS噪声水平。这款LDO采用小型SOT-23 5引线封装,在空间和噪声非常高的情况下代表了理想设计师的选择。 没有外部带隙电容可加快唤醒信号的响应时间并将其保持在40us(重复模式)内,使MC33761成为便携式应用的理想选择。 MC33761低压差(LDO)线性稳压器还采用了一种新颖的架构,可防止存在过多的下冲快速瞬态突发,如在任何突发系统中。 最后,静态线路调节优于-75dB,它自然屏蔽下游电子设备免受波动线的影响。 特性 超低噪音:150 nV / sq。根Hz @ 100 Hz,40mVRMS 100 Hz - 100 kHz典型值,I out = 60 mA,Co = 1.0mF 从OFF到ON的快速响应时间:200 Hz重复频率时典型值为40ms 准备1.0 V平台:ON,900 mV高电平 额定输出电流80 mA具有100 mA峰值容量 典型压降90 mV @ 30 mA,160 mV @ 80 mA 纹波抑制:70 dB @ 1.0 kHz 1.5%输出精度@ 25°C 热关机 V out 可在2.5 V,2.8 V,2.9 V,3.0 V下使用,5.0...
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MC33761 LDO稳压器 80 mA 1 V 高PSRR 低噪声 带开/关控制

MC7900 线性稳压器 1 A 5 V 负极

固定输出负线性稳压器旨在作为流行的MC7800系列器件的补充。该负电压调节器提供与MC7800器件相同的七电压选项。此外,负系统MC7900系列还提供MECL系统中常用的一个额外电压选项。 这些线性稳压器具有-5.0 V至-24 V的固定输出电压选项,采用限流,热关断和安全区域补偿 - 使其在大多数工作条件下非常坚固。通过充分的散热,它们可以提供超过1.0 A的输出电流。 规格: MC7900AC MC7900B MC7900C 容差 2% 4% 4% 温度范围 0°C至+ 125°C -40°C至+ 125°C 0°C至+ 125° C 包装 D2PAK,TO-220 D2PAK,TO-220 D2PAK,TO -220 特性 无需外部组件 内部热过载保护 内部短路电流限制 输出晶体管安全区域补偿 2%电压T可用油酸(参见订购信息) 无铅包可能有货。 G-Suffix表示无铅铅涂层。 电路图、引脚图和封装图...
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MC7900 线性稳压器 1 A 5 V 负极

LV5686PVC 线性稳压器 3通道 带6个高侧开关

PVC是用于汽车音响系统的多电压调节器。该IC具有3个稳压器,5V输出用于微控制器,9.85V输出用于照明,9V输出用于音频控制,6个高端开关。关于保护电路,它具有过流保护,过压保护和热关断功能。该IC最适用于汽车音响系统。 特性 3系统稳压器: VDD(MCU)照明音频 6个高侧开关 过流保护 BATT。检测:欠压1(
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FDMF2011 高性能100V智能功率级模块

11 电路图、引脚图和封装图
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MC33375 LDO稳压器 300 mA 高PSRR 带开/关控制

5系列是微功率低压差(LDO)线性稳压器,提供各种输出电压以及封装,SOT-223和SOP-8表面贴装封装。这些器件具有极低的静态电流,能够提供高达300mA的输出电流。输出端存在短路,内部热关断电路提供内部电流和热限制保护。 MC33375有一个控制引脚,允许逻辑电平信号关闭或转向 - 关于稳压器输出。 由于低输入至输出电压差和偏置电流规格,这些器件非常适用于电池供电的计算机,消费类和工业设备,其中延长了有用的电池寿命理想。 特性 低静态电流(OFF模式下为0.3 mA; ON模式下为125 mA) I O = 10 mA时输入至输出电压差为25 mV,I O时为260 mV = 300 mA 极其严格的线路和负载调节 稳定,输出电容仅为0.3 2.5 m输出电压3 mF 内部电流和热限制 逻辑电平开/关控制 应用 终端产品 电池供电的消费类产品 HandHeld Instruments 可携式摄像机和相机 摄像机和相机 电路图、引脚图和封装图...
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MC33375 LDO稳压器 300 mA 高PSRR 带开/关控制

FAN48617 固定输出同步TinyBoost®稳压器

17 电路图、引脚图和封装图
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NCP1594A 同步DC-DC降压转换器 集成 2.9至5.5 V 4A 开关频率高达2 MHz

4A提供了极大的灵活性,可以进行设计优化。该部件能够优化尺寸与效率之间的权衡和可调节性,以满足各种POL应用。可调功能包括软启动时序,开关频率,输出电压和工作模式(固定CCM模式或DCM / CCM操作)。附加功能包括REFIN输入,允许使用外部参考,可用于DDR终端应用。可通过两个输入选择九个输出电压,或者可通过两个外部电阻在外部调节该部件.NCP1594A具有过流,欠压和热故障保护功能。该部件在-40C至85C之间完全指定。 特性 优势 2.9 V至5.5V的操作 允许从3.3V或5V总线轨操作 可调频率从500 kHz到2 MHz 优化总体规模与效率的权衡 9固定输出电压或外部可调低至0.6V 节省外部电阻和/或提供设计灵活性 欠压,过流和过温保护 保护IC免受故障 可调节软启动 设置受控输出斜坡上升时间 安全启动到prebias输出 防止来自输出电容器的反向电流 外部参考输入 允许更改输出并可用于DDR终止应用程序 逐周期过流 防止过流情况 可调开关频率从500kHz到2MHz 在规模和效率方面优化设计 REFIN输入 允许在...
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LV52117QA 用于LCD面板的双输出DC-DC转换器

7是一款高电流双输出DC-DC转换器,可产生正电压和负电压。 LV52117特别适用于LCD显示器等电源应用。 特性 集成1.5MHz同步升压和逆变器转换器 2.75V至4.6V输入电压范围 4.6V至5.8V可调正输出(VDCO1) -5.8V至-4.6V可调负输出(VDCO2) 输出电流高达100mA 脉冲跳跃模式低负载条件 过流/短路保护 终端产品 液晶面板 电路图、引脚图和封装图
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LP2951_XFCS LDO稳压器 100 mA 带有错误标志输出

_XFCS 电路图、引脚图和封装图
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KA78R LDO稳压器 1 A 5至15V 带固定输出

XC是一款适用于各种电子设备的低压差稳压器。它提供带有TO-220-4引线全模封装的恒压电源。在满额定电流(1A)下,KA78RXXC的压差低于0.5V。该稳压器具有各种功能,如峰值电流保护,热关断,过压保护和输出禁用功能。 特性 1A / 3.3V,5V,8V,9V ,12V,15V输出低压差稳压器 TO-220全模封装(4pin) 过流保护,热关机 过压保护,短路保护 带输出禁用功能 应用 此产品是一般用途,适用于许多不同的应用。 电路图、引脚图和封装图...
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NCV8537 LDO稳压器 500 mA 低压差

7是一款高性能低压差线性稳压器。该器件基于流行的NCV8535,保留了其前代产品的所有最佳功能,包括高精度,出色的稳定性,低噪声性能和反向偏置保护,但现在包含一个电源良好输出信号,可以监控电源系统。 NCV8537完全符合AECQ100和PPAP标准。该器件的工作温度范围为-40℃至125℃,可提供固定或可调输出,采用10引脚3x3 mm DFN封装。 特性 优势 线路和负载高精度输出差异 多种应用的多功能解决方案 工作温度范围:-40C至125C 适用于汽车应用 低噪声(33 Vrms w / 10 nF Cnr和52 Vrms w / out Cnr) 非常受音频和娱乐系统欢迎 电源良好输出可用 自我监控调节器在哪里指定限制。 M最大电压输入16V,输入工作电压范围2.9 V至12 V. 性能稳定 符合AECQ100和PPAP 适用于汽车应用 应用 终端产品 网络系统,DSL /电缆调制解调器 汽车应用音频系统 导航系统 PCMCIA卡 手机 Camcoders and Cameras Cable SetTop Box MP3 / CD播放器 远程信息处理 导航系统 电路图、引脚图和封装图...
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NCV8518C LDO稳压器 200 mA 看门狗唤醒 复位和使能

8C器件是一款精密微功率稳压器。它具有5.0 V的固定输出电压,可在±2%范围内调节。它适用于所有汽车环境,并包含控制微处理器所需的所有功能。该器件具有低压差和低静态电流。它包括看门狗定时器,可调复位,唤醒和使能功能。该器件还包括安全功能,如热关断和短路保护。它能够处理高达45 V的瞬变。 特性 输出电压选项:5.0 V 输出电压精度:±2% 输出电流高达250 mA 低压差 70μA的低静态电流 低睡眠模式电流小于1.0μA 微功率兼容控制功能: - ENABLE - 看门狗 - 重置 - 唤醒 保护功能: - 热关断 - 电流限制 AEC-Q100 1级合格且PPAP能力 应用 终端产品 车身和底盘 仪器和集群 发动机控制单元 汽车 电路图、引脚图和封装图...
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NCV8518C LDO稳压器 200 mA 看门狗唤醒 复位和使能

NCV8535 LDO稳压器 500 mA 低Iq 超高精度 带使能

5低静态电流低压降(LDO)线性稳压器是一款高性能LDO稳压器。它具有+/- 0.9%的线路和负载精度以及超低静态电流和噪声,涵盖了当今消费类电子产品所需的所有必要功能。这种独特的器件保证在没有最小负载电流要求的情况下保持稳定,并且对于任何类型的小至1.0 uF的电容器都是稳定的。 NCV8535还配备了感应和降噪引脚,以提高设备的整体实用性。 NCV8535提供反向偏压保护。 特性 线路和负载的高精度(25℃时+/- 0.9%) 满载时的超低压降(典型值260 mV) 稳定性无最小输出电流 低噪声(31 uVrms) w / 10 nF Cnr和51 uVrms w / out Cnr) 低关断电流(0.07 uA) 反向偏向保护 2.6 V至12 V电源范围 热关断保护 目前的限制 仅需1.0 uF输出电容以确保稳定性 使用任何类型的电容器(包括MLCC)均可稳定 提供1.5 V,1.8 V,1.9V,2.5 V,2.8 V,2.85 V,3.0 V,3.3 V,3.5V,5.0 V和可调输出电压 应用 终端产品 汽车音响和信息娱乐 汽车配件 汽车仪表盘 汽车相机显示器 汽车仪表板电子产品 汽车 工业 电路图、引脚图和封装图...
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MC78M 线性稳压器 500 mA 5至24 V 高PSRR 正极

0 / MC78M00A正线性稳压器与流行的MC7800系列器件完全相同,只是它的输出电流仅为输出电流的一半。与MC7800器件一样,MC78M00三端稳压器用于本地卡上电压调节。 内部通道晶体管的内部限流,热关断电路和安全区域补偿相结合,使这些线性稳压器在大多数工作条件下都非常坚固。具有足够散热的最大输出电流为500 mA。 规格:
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MC78M 线性稳压器 500 mA 5至24 V 高PSRR 正极

LV5749NV 降压稳压器 开关 1通道

NV是单通道降压型开关稳压器。 特性 与负载无关的软启动电路 ON / OFF功能 集成脉冲脉冲过流保护 电流模式控制 电路图、引脚图和封装图
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NCP5269 具有2位VID的系统代理控制器

9 电路图、引脚图和封装图
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NCP1581 用于跟踪应用的同步降压控制器 高频PWM

1同步降压控制器IC旨在为14引脚SOIC中的板载DC-DC应用提供简单的同步降压稳压器。 NCP1581专为跟踪应用而设计,提供轨道输入。 NCP1581采用固定内部400 kHz开关频率工作,允许使用小型外部元件。该器件具有由外部电容设置的可编程软启动,欠压锁定和输出欠压检测,可在检测到输出短路时锁定器件。电路图、引脚图和封装图
发表于 07-29 16:02 318次 阅读