多功能計數(shù)器

多功能計數(shù)器陳林輝夏效禹伍玉（武漢大學）摘要：本系統(tǒng)以單片機和FPGA構(gòu)成的最小系統(tǒng)為控制核心，由前級放大模塊，比較整形模塊，頻率、相位差測量模塊等模塊構(gòu)成。在FPGA內(nèi)采用等精度測頻法測出頻率和周期，可實現(xiàn)對有效值為0.01V?5V，頻率范圍1Hz?15MHz信號的頻率、周期測量。用計數(shù)法測出相位差，可實現(xiàn)對有效值0.5V?5V，頻率10Hz?100KHz信號的相位差測量。系統(tǒng)功能由按鍵控制，可對測量結(jié)果實時顯示，人機交互界面友好，達到了較好的性能指標。關(guān)鍵字：等精度測頻法相位測量程控放大一、方案論證與選擇1、測頻、測周方案將信號比較整形為等頻率周期性脈沖，再進行頻率測量。方案一：直接測頻法。在確定的閘門時間內(nèi)，利用計數(shù)器記錄待測信號通過的周期數(shù)，從而計算出待測信號的頻率。方案二：測周法。以待測信號為門限，記錄在此門限內(nèi)的高頻標準時鐘的數(shù)量，從而計算出待測信號的頻率。方案三：等精度測頻法。精確門限由被測信號和預置門控制，測量精度與信號頻率無關(guān)，可以保證在整個測量頻段內(nèi)測量精度不變。測得高精度頻率，即可得周期。方案一只適合低頻信號測量，對測高頻信號精度較低；方案二只適合高頻信號測量。綜上所述，選取方案三。2、相位測量方案方案一：波形分析法。同時對輸入兩路信號進行等間隔采樣，計算兩轉(zhuǎn)換器采集兩部分波形數(shù)據(jù)的最大值或最小值的時間間隔可測得。該方法需要大量的軟件處理，實現(xiàn)復雜，且精度不易提高。方案二：相位電壓轉(zhuǎn)換法。可以采用采樣法（低通濾波法）和積分法。但是采樣法存在濾波環(huán)節(jié)，精度不高。積分法精度較高，但是對積分電路和放電回路的要求很高。方法三：計數(shù)法。將兩路信號經(jīng)過整形異或后，所得的脈沖的占空比能反應相位差的大小，可以由此測得其相位差。采用多周期同步計數(shù)法，可使量化誤差大大減小。綜上所述，選取方案三。3、信號采集與調(diào)理方案由于測頻、測相輸入信號的幅度最小有效值0.01V，而比較器能檢測到的輸入信號的幅度有限制。若測相信號的幅度差異，進入比較器也可能會引入額外誤差。因此信號需要進行調(diào)理才可送入比較器整形。方案一：將信號進行限幅放大。但是這樣會將噪聲也放大很多，產(chǎn)生很多不穩(wěn)定因素。方案二：根據(jù)信號峰值分級放大。利用峰值檢波大體檢測出信號的幅度范圍，單片機根據(jù)峰值選擇模擬開關(guān)的不同通道，分別進行不同增益的放大。該方案可以很好的解決小信號放大的問題，于是我們選取方案二。二、系統(tǒng)總體設(shè)計方案及實現(xiàn)框圖根據(jù)以上的方案論證與比較，先將待測頻率信號經(jīng)過模擬開關(guān)選通，經(jīng)過峰值檢波電路，由A/D轉(zhuǎn)換器將信號的峰值送入單片機。根據(jù)峰值將信號用TI公司的OPA637進行幅度調(diào)理。而兩路待測相位信號用TI公司的雙路運放TL052進行幅度調(diào)理。調(diào)理后的測頻、測周信號通過兩個比較器TL3116和LM311整形后進入FPGA的測頻模塊，用TL3116對高頻信號進行比較，用LM311進行低頻比較，得到精確的頻率和周期值。調(diào)理后的兩路信號由TI公司的雙路比較器TLC372進行比較整形后進入FPGA的測相模塊，測出其精確的相位差值。系統(tǒng)的總體框圖如圖2所示。

頻率信號相位信號峰值檢波寬帶放大A=1寬帶放大——A=10——寬帶放大__A=120—A/D轉(zhuǎn)換模擬開關(guān)比較器LM311比較器TL3116低頻頻率計高頻頻率計兩路信號放大TL052雙路比較器TLC372相位測量FPGA鍵盤d單片機LCD線總圖2.1系統(tǒng)總體框圖三、理論分析與計算1、頻率和周期測量方法分析采用等精度測頻法，其測量原理時序圖如圖3.1所示。由待測信號Fx和預置門Gate_p來控制精確門（同步門）gate頻率信號相位信號峰值檢波寬帶放大A=1寬帶放大——A=10——寬帶放大__A=120—A/D轉(zhuǎn)換模擬開關(guān)比較器LM311比較器TL3116低頻頻率計高頻頻率計兩路信號放大TL052雙路比較器TLC372相位測量FPGA鍵盤d單片機LCD線總圖2.1系統(tǒng)總體框圖三、理論分析與計算1、頻率和周期測量方法分析采用等精度測頻法，其測量原理時序圖如圖3.1所示。由待測信號Fx和預置門Gate_p來控制精確門（同步門）gate。在精確門內(nèi)，分別對Fx和高頻標準脈沖clk計數(shù)，計數(shù)值分別為NA和NB。被測頻率NA—Fx=nbxF取clk=40MHz。在實際測量過程中，NB計數(shù)存在±1的誤差。則其相對誤clkFxGate_pgateNANB差圖3.1等精度測頻法△FXFX(N?clk-N?clk)NB-1NBNANB?clk1??,NB在精確門關(guān)閉時刻，兩個相與信號Gate_p和Fx向相反方向跳變，會發(fā)生競爭冒險現(xiàn)象。精確的NA需要在計數(shù)器的結(jié)果后減1。當測量的低頻段信號的頻率低于預置門頻率時，在精確門內(nèi)就無法計數(shù)了。由于題目最低待測頻率為1Hz,且門限可以為1s，等精度測頻法可以滿足要求。2、相位測量方法分析IN1口口口口口in2_TLrLTLrLrLiGate1Gate2clk■■■■■■■■■■■圖3.2相位測量原理設(shè)IN1和IN2為兩路信號經(jīng)過整形得到的信號，Gate2為IN1和IN2IN1口口口口口in2_TLrLTLrLrLiGate1Gate2clk■■■■■■■■■■■圖3.2相位測量原理動態(tài)門控與脈沖信號相與，可以得到門限內(nèi)的有限個脈沖信號Gate2。易知，Gatel中含有IN2的4個周期，Gate2含有8個異或脈沖。在其中分別對clk進行計數(shù)，分別得到計數(shù)值M和N。當0。<0-中2<180。時，根據(jù)公式N8。M4x360。⑴，可以精確地測得相位差絕對值。其時序圖如圖3.28N8。M4x8（△中）=△中’一△中=-xmax2N±8x360。--xNx360。M一12M41440。（2）即8（△平）=x360。牝（2）maxM一1M在F=100KHz，時，M尸1600，則8（△在F=100KHz，時，M尸1600，為1。的要求。在場=中1-中2<180。時，可以直接用公式⑴得到相位差，即△中=△◎。當△中=中1―中2>180。時，相位差△甲=360。一△平。以IN1為數(shù)據(jù)。。輸入，IN2為時鐘輸入進D觸發(fā)器，可以判斷相位差區(qū)間。3、寬帶通道放大器分析為了檢測有效值0.01V?5V的信號（即Vp_p為0.028V?14V）的頻率，而高頻比較器TL3116能檢測到的信號最小幅度的Vp_p為0.8V，因此需要分級對信號進行程控放大。當測得的信號峰峰值Vp_p<0.1V時，設(shè)定放大倍數(shù)為120，當0.1VvVp_pv1V時設(shè)定放大倍數(shù)為10，當Vp_p>1V時，設(shè)定放大倍數(shù)為1。本系統(tǒng)需要處理的信號最大頻率為10MHz。我們選擇TI公司的具有高增益帶寬積、高擺率、低噪聲的OPA637。在G=10時，增益帶寬積為80MHz,在輸入信號頻率為10MHz時，會有一定衰減，但是已經(jīng)能夠滿足后級比較器的輸入信號幅度要求。用OPA637接成一級同相放大器進行10倍增益放大。用兩級OPA637級聯(lián)進行120倍放大。原理圖見圖3.3,圖3.4。完整程控放大器見附錄。四、主要功能電路設(shè)計1、比較整形電路在測頻、測周部分由于沒有帶寬由1Hz到10Mhz的比較器，在測頻部分，高頻部分用TI公司的TL3116實現(xiàn)。低頻部分用LM311。為抑制干擾引起的誤翻轉(zhuǎn)，我們采取了帶正反饋的滯回比較電路的形式。示意圖如圖4.1所示。測相的兩路信號經(jīng)過整形，要使產(chǎn)生的額外相差最小，選用TI公司的雙路比較器TLC372。其電路圖如圖4.2所示。五、系統(tǒng)軟件設(shè)計本系統(tǒng)軟件部分由單片機和FPGA組成，單片機主要完成用戶的輸入輸出處理和系統(tǒng)的控制，F(xiàn)PGA主要完成測頻、測周和測相計算。整個軟件系統(tǒng)的設(shè)計中模塊化思想貫穿始終，采用菜單選擇所用功能。程序流程圖如圖5所示：返回I圖5程序流程圖六、測試數(shù)據(jù)與分析1、測試儀器及型號PC機：DELUX多彩科技；TektronixTDS1002示波器;SG1040數(shù)字合成信號發(fā)生器;SG1733SB3A直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源2、測試方案與主要測試結(jié)果(1)測頻、測周輸入信號頻率范圍測試

由函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生單一頻率Vrms=1.5V的正弦信號，改變信號頻率。表一輸入信號頻率范圍測試數(shù)據(jù)頻率真實值1Hz100Hz5kHz100KHz1MHz15MHz測試值1.000001100.00005.000003KHz100.0000K1.000001M14.99998M誤差10-600.6x10-6010-610-6由于沒有測量周期的專用儀器，而且T=1/F，只測試了頻率數(shù)據(jù)，可以認為頻率的誤差與周期的誤差一致。(2)測頻、測周輸入信號幅度范圍測試由函數(shù)發(fā)生器分別產(chǎn)生F=1Hz、1KHz、1MHz、10MHz的正弦信號，改變信號的幅度。表二輸入信號幅度范圍測試數(shù)據(jù)幅度有效值0.01V0.1V幅度有效值1V5VF=1Hz1.0000010.999999F=1MHz1.000001M1.000001M誤差10-610-6誤差10-610-6F=100KHz100.0001K100.0001KF=10MHz10.00000M9.99999M誤差10-610-6誤差010-6(3)測相輸入信號頻率范圍測試改變自制測相網(wǎng)絡的相位差，可以測得三個頻率點的相位值。表三輸入信號頻率范圍測試數(shù)據(jù)頻率10Hz1kHz100kHz實際相位20°90°300°測量相位20.2°90.5°300.8°誤差0.2°0.5°0.8°(4)測相輸入信號幅度范圍測試測相網(wǎng)絡的相差固定，△中=45，改變輸入信號幅值，進行測試。表四輸入信號幅度范圍測試數(shù)據(jù)Vrms0.5V1V3V5V相位差45.1°45.4°45.6°45.2°3、測試結(jié)果分析測試結(jié)果都達到了題目要求的指標。測頻精度達到10-6輸入信號有效值最小可達0.01V，頻率最大值達到15MHz，測相精度達到1°。為了達到這樣的精度，我們通過增大高頻標準脈沖的頻率來減小誤差影響。對于高頻小信號處理，利用同相放大接法輸入阻抗高的特性提取小信號。同時采取抗干擾措施：電源去耦，減少放大器各部分電路之間通過公共直流電源產(chǎn)生的寄生耦合，穩(wěn)定放大器工作，防止產(chǎn)生振蕩和干；單點接地，地線要粗短；信號線盡量不交叉，也不平行。在測相部分，增加了前級調(diào)理電路，減少因為兩路信號幅度差異進入比較器導致的額外誤差。

附錄一題目完成情況表5—1題目要求完成情況題目要求完成情況基本部分頻率測量測量范圍：1Hz?1MHz完成，并擴展到1Hz到15MHz信號幅度范圍：0.5Vrms?5Vrms完成，并擴展到0.01Vrms?5Vrms測量誤差^10-3完成，并擴展到＜10-6周期測量測量范圍：1Hz?1MHz完成，并擴展到1Hz到10MHz信號幅度范圍：0.5Vrms?5Vrms完成，并擴展到0.01Vrms?5Vrms測量誤差^10-3完成，并擴展到＜10-6相差測量量程：0?360°；測量準確度：1°;分辨率：0.1°完成信號頻率范圍：10Hz?100kHz；信號幅度范圍：0.5Vrms?5Vrms完成發(fā)揮部分擴大測頻、測相輸入信號動態(tài)范圍擴展到0.01Vrms?5Vrms擴展了測頻、測相的頻率擴展到1Hz到15MHz測頻誤差＜10-6完成其他LCD實時顯示，鍵盤控制功能實現(xiàn)，并將測頻、測相頻率范圍擴展到15MHz附錄二電路原理圖1、峰值檢波電路在進入模擬開關(guān)之前，需要進行峰值檢波，通過測得的信號的幅值確定模擬開關(guān)的通道。峰值檢波電路是由二極管電路和電壓跟隨器組成，其工作原理為：當輸入電壓正半周通過時，檢波管U2導通，對電容C1充電，直到到達其峰值。三極管的基極由單片機或FPGA控制，產(chǎn)生10us的高電平使電容放電，以減少前一頻率測量對后一頻率測量的影響，提高幅值測量精度。其中U1為常導通，用以補償U2上造成的壓降。電容C1的取值需根據(jù)被測信號的頻率合適的選取，此電路中的二極管使用高頻二極管，可大大提高測量范圍的頻率上限。其原理圖如附圖1所示。2、測頻、測周信號程控放大部分對測頻、測周信號需要根據(jù)其峰值進行不同倍數(shù)的放大，其具體理論詳見理論分析與計算部分。其其一路信號調(diào)理電路如附圖3所示。另一路調(diào)理電路相同。附圖2程控放大器3、MAX197峰值采樣模塊對于檢出的峰值的采樣，我們采用了Maxim公司的12位A/D轉(zhuǎn)換器MAX197。它是以寫控制字寫信號的下降沿來啟動轉(zhuǎn)換，而且每次轉(zhuǎn)換前都要重新寫入控制字。外圍電路簡單，連接電路如下圖所示：匕1附圖3MAX197電路連接圖附錄三完整測試結(jié)果(1)測頻、測周輸入信號頻率范圍測試由函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生單一頻率Vrms=1.5V的正弦信號，改變信號幅值。檢測系統(tǒng)能夠測量信號的頻率范圍。完整數(shù)據(jù)表格見附錄表。表一輸入信號頻率范圍測試數(shù)據(jù)頻率真實值1Hz50Hz1kHz50KHz100KHz200KHz測試值1.00000150.000001.000001KHz50.0000K100.0001K199.9999M誤差10-601X10-6010-610-6頻率真實值500KHz800KHz1MHz4MHz10MHz測試值500.0001K800.0008K1.000001M4.00000210.00001M誤差0.2x10-610-610-60.5x10-610-6由于沒有測量周期的專用儀器，而且T=1/F，只測試了頻率數(shù)據(jù)，可以認為頻率的誤差與周期的誤差一致。(2)測頻、測周輸入信號幅度范圍測試由函數(shù)發(fā)生器分別產(chǎn)生F=1Hz、100Hz、100KHz、10MHz的正弦信號，改變信號的幅度。檢測系統(tǒng)能夠測量信號的幅度范圍。表二輸入信號幅度范圍測試數(shù)據(jù)幅度有效值0.01V0.1V1V2V3V5VF=1Hz1.0000010.9999991.0000010.9999991.0000011.000001誤差10-610-610-610-610-610-6F=100Hz100.0001100.0001100.0000100.000199.9999999.99999誤差10-610-6010