08 多功能计数器——武汉大学

zhangxunyi

          多功能计数

指导老师：黄根春
队员及年级：伍玉、陈林辉、夏效禹2006级
学校及院系：武汉大学电子信息学院
摘要：
       本系统以单片机和FPGA构成的最小系统为控制核心，由宽带放大模块，
比较整形模块，频率、相位差测量模块等模块构成。在FPGA内采用等精度测频
法测出频率和周期，可实现对有效值为0.005V~5V，频率范围1Hz~35MHz 信号
的频率、周期的测量。用计数法测出相位差，可实现对有效值0.5V~5V，频率
10Hz~100KHz 信号的相位差测量。系统功能由按键控制，可对测量结果实时显
示，人机交互界面友好，达到了较好的性能指标。另外我们系统还具有自动校准
和手动校准的功能。
关键字：
等精度测频法 相位测量 程控放大
1 方案设计
1.1 理论分析
① 频率和周期测量方法分析
② 相位测量方法分析
1.2 器件选择
① 比较整形模块
② 宽带放大器模块
      为了实现频率1Hz 到35MHz 信号的准确测量，需要采用宽带放大器。宽带
集成运放的突出性能是很高的增益带宽积、极大的电压摆率。一般情况下，电流
反馈型运放在频率响应上的性能要优于电压反馈型放大器。但电流反馈型放大器
的宽带特性导致了噪声增大。Ti 公司的OPA637是一款宽带的电压反馈型运放，
且噪声很低。由于本系统需要处理幅度很小的信号，放大器的噪声对系统性能影
响很大。于是我们舍弃高带宽电流反馈型运放AD811，而选择Ti公司的OPA637。
③峰值检波模块
    在进入模拟开关之前，需要进行峰值检波，通过测得的信号的幅值确定模拟
开关的通道。峰值检波后级为一级射级跟随器，起到模块间隔离的作用。射随电
路中使用了Ti 公司的精密运放OPA602。
它是一款高精度、宽带运算放大器。Difet 结构使之成为独特的高速和高精
度的特性完美结合的运放。它的宽带设计将其动态误差最小化。OPA602独特的
共射共基输入电路保证了它的低输入偏置电流以及在满量程输入共模电压范围
内的高精度输入特性。这款运放具有6.5MHz 的带宽，35V/us 的摆率，最大的偏
置电压为± 250uV ，最大偏置电流为±1pA。建立时间较短，在1us 内可以达到
0.01%。单位增益输出稳定而且可以驱动高达1500pF的容性负载。
④相位测量模块
1.3 设计方案论证
①测频、测周方案
将信号比较整形为等频率的方波，再送入FPGA内进行频率测量。
方案一：直接测频法。在确定的闸门时间内，利用计数器记录待测信号通过
的周期数，从而计算出待测信号的频率。此方案对低频信号测量的精度很低，较适合于高频信号的测量。
方案二：测周法。以待测信号为门限，记录在此门限内的高频标准时钟的数
量，从而计算出待测信号的频率。但被测信号频率过高时，由于测量时间不足会
存在精度不够的问题，此方案适于低频信号的测量。
方案三：等精度测频法。其精确门限由被测信号和预制门控制共同控制，测
量精度与被测信号的频率无关，只与基准信号的频率和稳定度有关，因此可以保
证在整个测量频段内测量精度不变。因此我们选取方案三。
②相位测量方案
方案一：波形分析法。同时对输入两路信号进行等间隔采样，然后经过统计
计算确定两路波形的时间间隔DT ，由此计算出相位差。该方法需要软件对大量
的波形数据进行处理，实现复杂，且精度不易提高。
方案二：相位电压转换法。具体实现方法有采样法(低通滤波法)和积分法。
采样法是将两路待测信号整形成为方波信号后进行逻辑“异或”，异或输出
的电压的直流成分反映了两路信号的相位差。这种方法操作简单，但由于存在滤
波环节，测量精度不易提高。
积分法可以消除采样法中低通滤波器引入的误差，将异或输出的脉冲电压送
至积分器，通过计算充电放电时间t1、t2 可以得到相位差。这种方法测量精度
较高，但这种方法对积分电路和放电电路要求很高，受分立元件的参数影响很大。
方案三：计数法。将两路信号经过整形和异或后，所得的输出脉冲的占空比
能反应相位差的大小，对异或脉冲进行填充计数，可以测得其相位差。采用多周
期同步计数法，可使量化误差大大减小，精度也完全可以达到题目要求。
综上所述，选取方案三。
③信号采集与调理方案
     由于测频、测相输入信号的幅度最小为0.005Vrms，而比较器能检测到的输
入信号的幅度有最低限制。两信号幅度的差异可能会引入额外误差。因此信号需
要进行调理后才可送入比较器整形。
方案一：将信号进行限幅放大。但这样会将噪声放大，引入不稳定因素。
方案二：根据信号幅值分级放大。利用峰值检波大体检测出信号的幅度范围，
单片机根据峰值选通模拟开关的不同通道，分别进行不同增益的放大。该方案可
以很好地解决宽幅度范围的输入信号调理的问题，于是我们选取方案二。
2 系统实现
2.1 硬件设计
2.1.1系统框图
     根据以上的方案论证与比较，对于待测频率信号，先将信号经过峰值检波电路，
再由AD 转换测出信号幅度的大小,然后由单片机控制模拟开关选择相应的
放大通道，使得不同幅度的信号都放大到比较器的正常比较范围。用TL3116和
LM311 分别对高频信号和低频信号进行整形后进入FPGA 的测频模块，可精确
地测得信号频率和周期值。对于两路待测相位信号，先将其用双运放TL052 进
行幅度调理后再通过双路比较器TLC372 进进行比较整形，所得方波信号输入到
FPGA的测相模块2.1.2功能模块设计
① 峰值检波模块
② 宽带通道放大器分析
③比较整形电路
④FPGA 模块
2.1.3硬件设计注意事项
该系统需要处理高频小信号，硬件设计上需要应用抗干扰技术。
①防止数字信号与模拟信号耦合造成干扰
       由于系统为数字系统与模拟系统相互联系的混合系统。由于模拟信号与数字
信号在频域中的分布情况不同，数字信号更容易进入不属于它们的电路中，造成
干扰。采用如下方法解决数字信号与模拟信号的耦合问题：数字信号尽可能远离
模拟信号；若两信号不得不交叉，尽可能以90°交叉；在模拟信号与数字信号
之间设置屏蔽；在数字地和模拟地之间接电感线圈防止两地线之间串扰。
②防止电源的干扰
     由于单片机及一些接口电路为数字电路，在电源电路会产生峰值很大的尖峰
电流，供电电源是外部瞬时脉冲窜入系统的主要通道，必须对其采取必要的抗干
扰措施：采用0.01 ~ 0.1uF的电容加在电源线和地线之间，作为旁路电容滤除纹
波；在数字芯片的电源输入处采用一个0.1uF 的瓷片电容和一个220uF的电解电
容并联形成电荷池接地，有效地抑制了数字芯片对电源的影响；电容连线靠近电
源端并尽量粗短，最好是直接用焊锡连接。
2.2 软件设计
2.2.1 软件流程
     本系统软件部分由单片机和FPGA 组成，单片机主要完成人机交互部分的处
理和系统的控制，FPGA 主要完成测频、测周和测相的实现。整个软件系统的设
计中模块化思想贯穿始终，采用菜单选择所用功能
2.2.2软件设计注意事项
①模块化编程。各个模块具有一定的独立性和可移植行，在调试过程中更容易寻
找到程序漏洞，在修改程序时，也不会影响其他模块的实现。
②优化程序。充分利用单片机内部有限的资源，提高程序运行的效率。
③提高程序可读性。变量命名，函数命名体现其功能，使程序逻辑清晰；另外程
序中的注释也必不可少。这对于系统的调试和维护具有很重要的意义。
3 作品性能测试与分析
3.1 系统测试方法及测试数据
① 测频、测周输入信号频率范围测试
②测频、测周输入信号幅度范围测试
③测相输入信号频率范围测试
④测相输入信号幅度范围测试
3.2 系统性能概览
3.3 误差分析
①频率测量
②相位差测量
相位差的测量采用计数法。在动态门框内对高频标准脉冲进行填充计数。同
样也可能产生上述±1的误差。但是由于我们需要测量的信号范围在10Hz 到
100KHz，根据公式(3)，可能产生的最大误差也只有0.9°，可以满足题目的要求。
3.4 改进措施
①在单片机的运算能力范围内，使用频率更高的晶振，可以减小系统误差。
②在小信号测量时，采用一定的数字信号处理技术，如进行软件滤波等，可以降
低外界环境对小信号的干扰对测量的影响。
③用一级仪器放大器对小信号进行处理，仪器放大器的共模抑制比很高，对于小
信号处理效果很好。这样改进，可以再度降低被测信号的幅度。