峰峰值頻率監(jiān)測(cè)

頻率監(jiān)控電路有多種類型。“過(guò)零檢測(cè)器”被認(rèn)為是最常見(jiàn)的方法之一，因?yàn)樗鼘?duì)周期性和常規(guī)信號(hào)的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。但是，如果信號(hào)是非周期性的或不規(guī)則的（脈沖之間包含非瞬時(shí)零周期），則不能使用過(guò)零。在這種情況下，峰峰值頻率監(jiān)視器是理想的替代方案。

峰峰值法用于真實(shí)世界的模擬信號(hào)，通常來(lái)自模擬傳感器。本文所述的設(shè)計(jì)使用SLG46620VGreenPAK?計(jì)算0.5 Hz至200 Hz信號(hào)的低端頻率，其波形寬度在100 - 1000 ms之間。通過(guò)對(duì)該應(yīng)用的基本了解，可以設(shè)計(jì)其他模擬寬度和周期的峰峰值測(cè)量。

該電路包括峰峰值設(shè)計(jì)的所有部分。因此，IC負(fù)責(zé)接收模擬信號(hào)樣本并將識(shí)別的峰值存儲(chǔ)在內(nèi)部緩沖器中。它還負(fù)責(zé)將兩個(gè)峰值之間的測(cè)量時(shí)間段與內(nèi)部閾值進(jìn)行比較，以便在超過(guò)這些閾值時(shí)給出信號(hào)。

該設(shè)計(jì)由一個(gè)模擬信號(hào)輸入和 4 個(gè)輸出組成：

PD：在檢測(cè)到峰值時(shí)發(fā)出脈沖。

高 PPM：如果信號(hào)頻率超過(guò)上限閾值，則給出高。

低 PPM：如果信號(hào)頻率超過(guò)下限閾值，則給出高。

正常：如果頻率在兩個(gè)閾值內(nèi)，則給出 HIGH。

該 IC 的模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 宏單元非常適合峰值信號(hào)檢測(cè)。所選電路功耗低且性價(jià)比高。它是此應(yīng)用程序中所需的小型設(shè)備。該 IC 可以替代分立 IC 和無(wú)源器件系統(tǒng)。

對(duì)一般電路的解釋是期望它將被增強(qiáng)以適應(yīng)特定的實(shí)際應(yīng)用。設(shè)計(jì)結(jié)果利用GreenPAK Designer軟件信號(hào)發(fā)生器來(lái)測(cè)試各種信號(hào)并顯示相應(yīng)的輸出。信號(hào)以高于和低于IC中存儲(chǔ)的值的頻率生成，并顯示每種情況的相應(yīng)輸出，以向讀卡器確認(rèn)操作正確。

可以在此處找到此應(yīng)用程序的完整設(shè)計(jì)文件。

設(shè)計(jì)概述

檢測(cè)過(guò)程使用ADC模塊對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采樣，然后將其存儲(chǔ)在內(nèi)部緩沖器中。然后接收模擬信號(hào)的新樣本，并與存儲(chǔ)的樣本進(jìn)行比較。

如果新樣本的值大于當(dāng)前存儲(chǔ)的值，則模擬電壓正在增加。新樣本存儲(chǔ)在緩沖器中，接收并比較信號(hào)的下一個(gè)樣本。但是，如果接收到的樣本等于緩沖區(qū)中存儲(chǔ)的樣本，則信號(hào)是恒定的。此時(shí)，它要么達(dá)到一個(gè)短暫的常數(shù)值但沒(méi)有達(dá)到峰值，要么已經(jīng)達(dá)到峰值，因此只有在信號(hào)開(kāi)始下降時(shí)才考慮峰值狀態(tài)。

如果下一個(gè)樣本小于存儲(chǔ)在ADC緩沖器中的前一個(gè)樣本，則記錄峰值狀態(tài)。在另一個(gè)循環(huán)中重復(fù)該過(guò)程以找到下一個(gè)峰值。

為了計(jì)算頻率，我們計(jì)算兩個(gè)連續(xù)峰值之間的時(shí)間，并將該時(shí)間與預(yù)先存儲(chǔ)在IC內(nèi)部寄存器中的某些閾值進(jìn)行比較。如果此時(shí)間大于較高的閾值，則頻率小于允許的限制。如果此時(shí)間小于下限閾值，則頻率大于允許的限制。

由于該設(shè)計(jì)適用于相對(duì)低頻的信號(hào)，因此它們通常以每分鐘的脈沖數(shù)計(jì)算，在此上下文中縮寫為PPM。閾值標(biāo)記為高 PPM 和低 PPM。

為了確保需要所有記錄的峰值，將每個(gè)峰值與預(yù)先存儲(chǔ)的電壓閾值進(jìn)行比較，以便僅在峰值幅度大于所選閾值時(shí)才考慮峰值，并忽略短幅度信號(hào)。圖 1 顯示了工作過(guò)程。

（圖1：系統(tǒng)工作流程）

綠派設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)由兩部分組成：峰值檢波器電路和頻率監(jiān)控電路，后者包含一個(gè)定時(shí)器和閾值比較器。圖2顯示了該設(shè)計(jì)的框圖。

（圖2：電路框圖）

峰值檢測(cè)器

IC通過(guò)引腳8接收外部信號(hào)，該引腳配置為作為模擬輸入/輸出工作。然后，信號(hào)通過(guò)設(shè)置增益的可編程增益放大器（PGA）。ADC的工作模式為單端，并設(shè)置x1增益。然后，信號(hào)進(jìn)入ADC模塊。

在此設(shè)計(jì)中，輸入信號(hào)為低頻，因此通過(guò)將時(shí)鐘周期除以16來(lái)降低采樣速率。采樣率相當(dāng)于 97，6563 sps，以減少誤差值和尖峰。

采樣率 = PWM 和 ADC 時(shí)鐘 / 256 = 25k / 16 / 256

為了指示峰值，必須給出一個(gè)信號(hào)來(lái)指示模擬輸入是上升還是下降。為此，必須比較ADC輸出的兩個(gè)連續(xù)值。SLG46620V SPI模塊配置為作為ADC緩沖器運(yùn)行。

根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)中的ADC屬性，在ADC INT輸出激活之前，PAR數(shù)據(jù)可以使用幾個(gè)時(shí)鐘周期。利用這一特性，ADC INT輸出通過(guò)DLY5連接到SPI模塊的SCLK輸入，DLY5配置為作為上升沿延遲工作。因此，需要比較新的ADC值和具有ADC INT輸出信號(hào)上升沿的舊ADC值。延遲后，DLY5輸出觸發(fā)SPI將新值存儲(chǔ)在緩沖器中。工作時(shí)序圖如圖3所示。

（圖3.ADC、SPI 和 DFF 時(shí)序圖）

（圖4.綠色PAK設(shè)計(jì)矩陣0）

通過(guò)DCMP0將ADC值與緩沖值進(jìn)行比較，其中IN+輸入從ADC [7：0]獲取其值，IN-輸入從SPI [7：0]獲取其值。均衡器和OUT+輸出分別連接到DFF8和DFF9。

如果 ADC 值大于 SPI 值，則 OUT+ = 1，EQ = 0。

如果ADC值小于SPI值，則OUT+ = 0，EQ = 0。

如果ADC值等于SPI值，則OUT+ = 0，EQ = 1。

EQ 和 OUT+ 輸出與 ADC INT 輸出信號(hào)的上升沿保持。為了確保每次比較時(shí)都不會(huì)記錄相等狀態(tài)，SPI將通過(guò)DLY5輸出觸發(fā)。因此，比較僅在兩個(gè)連續(xù)值之間進(jìn)行，如圖 3 所示。

通過(guò)在系統(tǒng)運(yùn)行期間監(jiān)控EQ和OUT+輸出的狀態(tài)，會(huì)引入間歇脈沖，如果不考慮，會(huì)導(dǎo)致毛刺。為了防止這種情況并保持穩(wěn)定的信號(hào)，CNT3、CNT7 和 CNT8 作為延遲運(yùn)行以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行去抖動(dòng)。因此，可以防止尖峰對(duì)輸出狀態(tài)的影響。

3 位 LUT8 用作 SR 鎖存器，其中來(lái)自 OUT+ 輸出的信號(hào)表示 Set，表示信號(hào)正在上升。復(fù)位來(lái)自3位LUT9，這意味著信號(hào)正在下降。

3L9配置為在OUT+ = 0、EQ = 0且ACMP1輸出為高電平時(shí)發(fā)出高信號(hào)。

優(yōu)先考慮上升狀態(tài)，因?yàn)橄到y(tǒng)的目的是檢測(cè)振幅的最高值。

一旦信號(hào)在上升狀態(tài)后開(kāi)始下降，3L8輸出將從高電平變?yōu)榈碗娖?，并通過(guò)P DLY1檢測(cè)下降沿。P DLY1輸出指示峰值（PD）的檢測(cè)。PD信號(hào)通過(guò)DLY9傳遞到Pin10，脈沖寬度增加，以適應(yīng)任何外部設(shè)備的靈敏度。它還用于重置計(jì)數(shù)器。

ACMP1用于將PGA輸出與固定閾值進(jìn)行比較，在本設(shè)計(jì)中選擇為200 mV。因此，如果峰值的幅度小于邊際值，則將忽略該峰值。

（圖5.綠色PAK設(shè)計(jì)矩陣1）

峰峰值頻率監(jiān)視器設(shè)計(jì)

構(gòu)建峰值檢波器設(shè)計(jì)后，我們將使用來(lái)自所述設(shè)計(jì)的PD信號(hào)來(lái)構(gòu)建頻率監(jiān)視器。

FSM1用作計(jì)算兩個(gè)峰值之間時(shí)間的計(jì)數(shù)器。由于預(yù)期信號(hào)是低頻，F(xiàn)MS1的時(shí)鐘源被選為L(zhǎng)F OSC，除以16。因此，測(cè)量時(shí)間可以在 19 ms 到 2.35 s 之間，步長(zhǎng)為 ~10 ms。通過(guò)使用低頻振蕩器，有源電流消耗被最小化。

DCMP1 和 DCMP2 將 FSM1 值與頻率上限和下限閾值進(jìn)行比較。DCMP1將FSM1值與（1：1）寄存器值進(jìn)行比較，在本設(shè)計(jì)中設(shè)置為500 ms，表示下限閾值。DCMP2將FSM1值與寄存器2值進(jìn)行比較，在本設(shè)計(jì)中設(shè)置為897 ms。

比較值與PD信號(hào)的上升沿一起存儲(chǔ)在DFF10和DFF11中。Q輸出極性已配置為DFF11反相。

FSM1 數(shù)據(jù) < 寄存器0 值 ---> DCMP1 輸出+ = 高 ---> DFF10 輸出 = 高 ---> 高 PPM

FSM1 數(shù)據(jù) > 寄存器2 值 ---> DCMP2 輸出+ = 高 ---> DFF11 輸出 = 高 ---> 低 PPM

寄存器0 < FSM1 數(shù)據(jù) < 寄存器2 ---> 3L10 輸出 = 高電平 --->正常

FSM1 通過(guò) 3L11 逆變器以 PD 信號(hào)的下降沿復(fù)位。如果周期超過(guò) FSM1 工作范圍 2.35 s，F(xiàn)SM1 輸出向 3L10 和 2L6 提供高信號(hào)以關(guān)閉所有輸出。這種情況表明測(cè)量的周期大于預(yù)期。此功能可用于指示輸入中沒(méi)有脈沖或特定應(yīng)用處于危險(xiǎn)的低周期。FSM的時(shí)鐘源可以更改以適應(yīng)要實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用。

（圖6.LUT 屬性）

（圖7.CNT5 & CNT9 Properties）

結(jié)果

GreenPAK 設(shè)計(jì)器程序中包含的信號(hào)向?qū)б延糜跈z查設(shè)計(jì)并確保其按預(yù)期工作。

信號(hào)向?qū)?duì)于設(shè)計(jì)檢查非常方便，無(wú)需使用外部信號(hào)發(fā)生器即可生成不同形狀的信號(hào)。信號(hào)頻率和幅度可以輕松控制。還可以生成自定義信號(hào)。

生成了幾個(gè)信號(hào)。PD信號(hào)如下圖所示。

（圖8.CNT5 & CNT9 Properties）

（圖9.藍(lán)色信號(hào)為輸入，紅色信號(hào)為PD輸出信號(hào)）

生成具有短不理想峰值的自定義信號(hào)。

（圖10.生成自定義信號(hào)）

（圖11.藍(lán)色信號(hào)為輸入，紅色信號(hào)為PD輸出信號(hào)）

對(duì)輸入應(yīng)用了不同的周期。相應(yīng)的輸出狀態(tài)如表1所示。

表 1：不同周期的輸出狀態(tài)

本文概述了如何構(gòu)建峰值檢測(cè)電路，其中包括基于輸入信號(hào)峰峰值時(shí)間計(jì)算的頻率監(jiān)控電路。該 IC 在集成多個(gè)功能方面表現(xiàn)出高效率，因?yàn)樵擁?xiàng)目需要這樣的功能。此外，所選電路的低成本和小面積特別適用于本應(yīng)用描述中針對(duì)的便攜式和可穿戴解決方案。

審核編輯：郭婷