现场可编程门阵列即FPGA，是从EPLD、PAL、GAL等这些可编程器件的基础上进一步发展起来的。作为专业集成电路领域中的半定制电路而出现的FPGA，不但解决了定制电路的不足，而且克服了原有可编程器件因门电路数有限的而产生的缺点。FPGA 的使用十分的灵活，同一片FPGA 只要使用不同的程序就能够达到不同的电路功能。现在FPGA 在通信、仪器、网络、数据处理、工业控制、军事和航空航天等众多领域有着广泛的应用。随着成本和功耗的进一步降低，将在更多的领域运用FPGA。基于FPGA 的电机测速系统设计，以Quartus II 为设计平台，采用硬件描述语言VHDL和模块化设计的方式，并通过数码管驱动电路动态显示测量的结果。本设计具有外围电路少，集成度高，可靠性强等特点，可以用来测量电机的转速值。
外围电路设计
传感器将电机转速的模拟信号转换成数字脉冲信号送入FPGA 模块。同时由基准时钟电路产生准确的时钟信号和复位电路产生的复位信号送入FPGA 模块。再由FPGA 模块产生分频电路、十进制计数器电路、数据处理电路和显示译码电路。由分频电路将送入的基准时钟信号进行分频，得到一个闸门信号，作为十进制计数器的使能信号。数据处理电路的作用是将十进制计数器得到的数据进行相应的处理后，再送入显示译码电路进行转换译码。电机测速系统的总体框图如图1所示。外围电路分为：基准时基电路，复位电路，传感器测量电路和显示电路。
图2 有源晶振电路图
基准时基电路设计
基准时基电路采用50 MHz 的有源晶振，3．3 V 电源通过FB5接入有源晶振的VCC 端口，同时通过C10和C11滤去高频干扰信号。从OUT 端口输出50 MHz 的时钟信号。晶振电路如图2所示。
复位按键的设计
按键作为嵌入式智能控制系统中人机交互的常用接口，我们通常会通过按键向系统输入各种信息，调整各种参数或者发出控制指令，按键的处理是一个很重要的功能模块，它关系到整个系统的交互性能，同时也影响系统的稳定性。在本次设计中，通过按键实现了FPGA模块的手动复位。复位按键如图3所示。
图3 复位按键电路图
显示电路的设计
在本次设计中我们用到的显示电路如图4 所示。
由数码管显示电路可以知道，这是共阳极数码管。当在位选端SE1～SE4输入低电平时，三极管导通，从而D1～D4接入高电平。由a 到DP 端输入数码管显示码，就可以得到我们所需要的数字，由位选端让数码管选择导通。
本次设计是基于FPGA 的电机测速系统设计，利用的是Altera 公司开发的Quartus II 软件作为设计平台，可以在FPGA 开发板上实现测量由传感器转换得到的脉冲信号，并且通过计算得到电机转速值。在本次设计中，还可以进行一些扩展，可以添加报警电路，设定一个报警值，当测量的转速值大于这个报警值时，就可以让蜂鸣器报警或数码管点亮。
PCB在焊接完成后，需要对其元器件进行测试，传统的方法是将其焊离PCB板后测试，但该方法不仅 麻烦、效率低，并且容易损伤电路板而极不实用；另一方法就是人工结合机器进行测试，但这需要测试人员有一定的经验，也给测试带来了一定的不确定性，使得测 试结果的精准度无法达到现代电路板的可靠性要求。所以，本文研究了一种可行的、简单实用及高精度的电容在线测试电路。另外，随着EDA技术的快速发 展，FPGA以其高集成度、高可靠性及灵活性等特点正在快速成为数字系统开发平台，在多种领域都有非常广阔的应用前景。本设计结合上述两特点，设计了一种 基于向FPGA内植入Nios II嵌入式软核作为控制器的电容在线测试电路。
测试原理
在线测试的基本思想是应用电气隔离技术，将被测元器件在电气上和与其相连的元件隔离，进而一一检测PCB板上的每一个元件。隔离方法如图1所示。设待测元件为Zx，周围与之相连的元件阻抗等效为Z1、Z2，并将其另一端与测试电路同地。因为运 放正向输入端接地，根据“虚地”原则，Z2两端等电位，都为地，即Z2被隔离；另外Vi为理想电压源时，内阻为零，Z1可视为电压源的输出负载，不影响 Zx上电压降，即Z1也被隔离。可见，只要确定输入，测得输出结果，就可计算出被测元件的大小。
信号源电路
电容测试需要在测试电路输入端加交流信号，并且要求频率可调。本文采用DDS专用芯片AD9850进行交流信号源的设计。AD9850内部有40位控制字，其中32位用于频率控制，5位用于相位控制，1位用于电源休眠控制，2位用于选择工作方式。这40位控制字可以通过并行或串行方式接入到控制器FPGA，本文采用串行装载控制字，以节约I/O口，图3为控制字的串行加载时序图。
串行输入方式，在W_CLK上升沿把数据位D7的一位数据串行输入，当输入40位后，用一个FQ_UD脉冲即可更新输出频率和相位。图4为DDS硬件电路图。
其中，D0~D7为八位数据输入端口，给内部寄存器装入40位控制数据，本文采用串行输入，所以只 用到D7位与FPGA相连；CLKIN为外部参考时钟输入，本设计采用100M外部时钟输入；W_CLK为字输入信号，上升沿有效；FQ_UD为频率更新 控制信号，时钟上升沿确认输入数据有效；VINP和VINN分别为内部比较器的正负输入端；IOUT为内部DAC输出端；IOUTB为“互补”DAC输出 端；AVDD和DVDD采用+5V供电。IOUT输出信号经过滤波器后作为测试电路的激励信号。
通过上述实测值与标准值的比较可以看出本文设计的由FPGA控制的电容在线测试系统具有多量程自动选择，测试精度高，使用方便等特点，测试范围达到0.01μF~3μF.经理论分析和试验证明，该设计具有很强的实用性和可靠性。
