基于TMS320F240芯片频率信号测量电路分析

李凤梅

摘要：频率测量是电路模拟信号测试主要部分，大多数的测试电路主要是对电压、电流、频率等物理量进行测量，同时控制器对测量结果产生相对应的控制、反馈信号送至被测试对象，从而获得被测试对象的工作状态。目前测试电路物理量的方法较多，本文就针对一种基于TMS320F240芯片测量电路进行分析。

关键词：TMS320F240;信号处理;测量电路

1 引言

目前电子产品需要测量的激励信号主要有两类：一种为电压信号，另一种为频率信号。针对信号电压范围较宽、频率高等特点，本文针对路采用TMS320F240芯片作为信号测量电路的核心的测量电路来阐述该设计理念能充分利用有限的测试资源满足模拟系统测试信号完备性的要求，降低整个模拟系统的成本。

2 资源分析

测量电路采用TMS320F240实现信号测量需求，其性能如下：

（1）TMS320F240芯片内部具有A/D转换模块，输入范围为0～3.3V，转换速度也较快，F240系列芯片的转换速度为375ns，满足了测试响应需求。

（2）TMS320F240芯片的I/O口可以作为输入端用于判断输入电平（TTL电平）的高低。

（3）TMS320F240芯片的事件管理器中一共有四个捕获单元，每个捕获单元可以通过捕获方波信号的两个相邻的上升（或下降）沿来测量信号的周期，所以频率信号的测量可以利用DSP芯片的捕获单元来实现。

3 频率测量电路设计

3.1 频率测量方法分析

频率的测量在电子测量领域中是最基本，有计数法和测周法两种，它们适应不同的频率测量。

（1）计数法

计数法的测量原理是测出在一个固定的时间间隔T中所输入的脉冲数N，根据频率的计算方式为F= N /1'，得出信号的频率。测量的相对误差為I/N ×100。由此可见，当频率越高，也就是N越高，那么相对误差就越小;反之，相对误差就会越大。因此计数法的测量适合于高频信号的测量。

（2）测周法

测周法的测量原理是以一个频率为F0标准信号作为基准，测出一个周期内输入信号的脉冲个数N，那么它的频率则为F=F0/N。由此可见，当频率越低，也就是周期越长，N越高，那么相对误差就越小;反之，相对误差就会越大。因此计数法的测量适合于低频信号的测量。

根据需求分析，系统需测量的频率信号有两种：一是交流电压信号的频率（1KHz左右）;二是方波信号（8～20Hz），输入的频率信号均为低频信号。为了减少测量误差，系统利用TMS320F240芯片的片内资源通过测量信号周期的方法（测周法）来测量信号的频率。

3.2 捕捉单元测量频率的原理分析

捕获单元测频过程分为两次捕捉，引脚CAPx被第一次捕捉到指定变化时，捕获单元将捕捉所选用计数器的计数值在堆栈为空的条件下写入FIFO堆栈的上层寄存器。若第二次捕捉发生在第一次捕捉的值读取之前，新捕捉的计数值则会被存储至底层寄存器中。捕获单元捕捉到计数值之后，对应的中断标志位置被置1，若是外围的中断指令没有被屏蔽，那么在捕捉计数值后会产生中断外围设备的请求。如果第一次捕捉设置了屏蔽中断，那么将第二次捕捉设置为与第一次相同的捕捉跳变沿，并且开中断;然后响应中断，则在两次捕捉对中断的不同设置及响应，读出两次捕捉数值。两次捕捉的数值即为一个被测频率周期的两次计数。通过16位的FIFO状态寄存器即可检测到CAPFIFOA（或CAPFIFOB）堆栈中的数值个数。读出堆栈中两次存入的新旧捕获值，就可以计算出一个周波内的被准频脉冲数，从而得出被测周波的频率。捕捉单元原理框图如图1所示。

3.3 频率测量辅助电路分析

交流信号首先需要经过分压网络和低通滤波进行调理，然后通过模拟开关的切换。因为待测正弦信号没有明显的下降沿和上升沿，所以需要通过一个滞回比较器将正弦信号转变成矩形波信号。其原理如图9所示。

比较器LM119是美国一家半导体公司生产的高速双比较器。它的输出的是集电极开路的，可以和TTL电平兼容。比较器的滞后电路如图2所示。

比较器有滞后效应，如果噪声为Un，当DU?Un时，噪声造成比较器的输出信号翻转，形成导致误计数的寄生脉冲;反之，当DU>Un时，噪声就不会在比较器输出中形成寄生脉冲，仅是使输出脉冲的宽度发生变化，但脉冲宽度变化对计数结果而言是影响的。即尽管存在噪声，但若果能实现噪声的幅度小于滞后宽度，则误计数的情况就不会发生;

根据设计需求不同，滞后带宽大一些比较有利于抑制噪声，相反滞后带宽小一些则能提高灵敏度，所以设计时滞后宽度选择是必须综合的考虑的一方面。

根据图2可知

（1-1）

（1-2）

其中，Vi是输入信号，Vo是输出信号，Vr是比较电平。系统选取R1=5.1K，Rf=20K，Vr=1.25V，则Eh=2V，E1=1V，这样滞后宽度为1V，有效抑制了交流信号中的噪声干扰。

4 结束语

测量电路以TMS320F240芯片为核心，充分利用芯片的高速数据处理能力和传输能力对系统各个电路进行控制和调配。利用TMS320F240芯片的捕捉单元实现频率的测量，并利用TMS320F240芯片的I/O口实现开关量信号的测量，大大的提高了信号测试系统的集成度，有效的实现了模拟器信号测量的功能。