基于單片機和FPGA的多功能計數(shù)器的設(shè)計

1 引言
    頻率、周期、相位是交流信號的3大要素。一般情況下，分析交流信號需研究其頻率與相位，而周期可直接由頻率計算。對于正弦信號的頻率、相位測量準確度的要求不斷提高，而隨著電子技術(shù)的發(fā)展，對其測量方法仍不斷改進完善。較早采用直接頻率測量的測頻法，為了保證測試精度，一般低頻信號采用測周期法，而高頻信號采用測頻法，測量很不方便。而相位測量最初采用測量信號一個周期參數(shù)的方法，該方法精度適用于低頻，而高頻時誤差變大。該多功能計數(shù)器采用等精度測量法來測量信號頻率，同時采用基于單片機和FPGA的計數(shù)相位測量方法完成精確相位測量，并能在液晶顯示器實時顯示當(dāng)前信號的頻率、周期和相位差。該計數(shù)器將正弦信號頻率和相位的測量于一體，精度高，實用性強。

2 方案設(shè)計論證
2．1 頻率測量
    等精度測量法的測量時間是人為設(shè)定的，閘門的開啟和閉合由被測信號的上升沿來控制，測量精度與被測信號頻率無關(guān)，因而可以保證在整個測量頻段內(nèi)的測量精度保持不變。被測信號的計數(shù)是同步的，對于基準信號來說，存在±1的誤差，只要計數(shù)足夠大，可滿足高精度要求。
2．2 相位測量
    相差一時間測量法是將整形后的兩路方波送入FPGA，分別檢驗出兩個信號的上升沿，通過FPGA內(nèi)部計數(shù)器在兩個信號的上升沿間對晶振進行計數(shù)。在低頻段時，RC濾波電路的輸出波動很大，該相位測量通過采用高頻率的計數(shù)脈沖，相位受信號頻率影響小，可實現(xiàn)較高的測量精度。

3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計
    該系統(tǒng)硬件電路設(shè)計是由峰值檢波采樣、整形比較、寬帶通道放大、頻率測量、相位測量、顯示等模塊構(gòu)成。低頻比較器LM311對1 Hz到2 MHz的信號整形效果較好，高頻比較器TL3116對200 kHz以上的信號整形效果較好。為實現(xiàn)1 Hz到10 MHz信號的頻率測量，該系統(tǒng)以1為0．01～5 V的信號，應(yīng)將其經(jīng)峰值檢波、A／D轉(zhuǎn)換后選擇模擬開關(guān)通道進行程控放大，經(jīng)整形后測量，最后將測量結(jié)果送入顯示模塊圖1為該系統(tǒng)整體框圖。

3．1 程控放大電路
    程控放大分為3段，對0．01～50 mV的小信號放大100倍，50 mV～1 V的小信號放大10倍，1～5 V的信號不放大。選用8路模擬開關(guān)MAX308，為了采集與實現(xiàn)毫伏級信號，必須使用寬帶放大電路進行放大，故采用TI公司的OPA637寬帶運放實現(xiàn) Gain=11及Gain=120的放大。圖2為OPA637增益為11倍的放大電路，增益為120的放大電路用2級OPA637級聯(lián)即可實現(xiàn)。

3．2 過零比較電路
    輸入信號送入LM311進行滯回比較，可較好消除邊緣毛刺，實現(xiàn)低頻信號整形。 TL3116是高頻比較器，輸入信號送入TL3116滯回比較，獲得較為理想的高頻方波整形信號。故測頻時分兩段設(shè)計整形電路，整形電路將輸入的周期信號整形成同頻的方波輸入FPGA進行測頻。圖3為LM311滯回比較電路，TL3116外同電路與其相同。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計
    該系統(tǒng)軟件設(shè)計分為測頻和測相兩部分。測頻時信號經(jīng)峰值檢波，A／D采樣后送入FPGA，選擇模擬開關(guān)對不同幅度段的信號進行程控放大。放大后的信號分別經(jīng)兩路比較器整形，然后送往FPGA內(nèi)分別計數(shù)，高頻時采用經(jīng)高頻比較器整形后的計數(shù)值，低頻時采用經(jīng)低頻比較器整形后的計數(shù)值，準確測得信號頻率。測相則直接將經(jīng)低頻比較器整形后的信號送入FPGA計數(shù)可得。程序流程如圖4所示。

5 結(jié)束語
    正弦信號的頻率、周期和相位差測量的多功能計數(shù)器實現(xiàn)了對頻率1Hz～10 MHz、幅度0．01～5 Vrms的正弦信號精確測頻。其精度達到10-6Hz。同時，該計數(shù)器設(shè)計也實現(xiàn)頻率10 Hz～100 kHz、幅度0．5～5 Vrms的正弦信號精確測相，準確度達到1°，并且能在液晶顯示器實時顯示當(dāng)前信號的頻率、周期和相位差。該系統(tǒng)操作簡單，模塊化程度高，精度高，顯示界面友好，具有較強的可行性和實用性，具有良好的市場前景。