多功能计数器

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查看: 2356回复: 1 发表于 2019-12-5 08:47:03   只看该作者
    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采用等精度测频法,其测量原理时序如图1.1 所示。由待测信号Fx和预置门Gate_ p来控制精确门(同步门)Gate。预置门内的第一个Fx的上升沿到来时精确门Gate 开启,在预置门结束后的第一一个Fx的上升沿时刻,Gate 关闭。在精确门内,分别对待测信号Fx和高频标准脉冲Fo计数,计数值分别为NA和NB。被测频率NAFx=xFo,取Fo=40MHzXNB

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在实际测量过程中,由于采用了等精度测频法,精确门Gate正好是Fx的整数倍,所以对Fx的计数值NA不存在误差,而对Fo的计数值NB存在+1的误差。因此系统的相对误差

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当测量的低频段信号的频率低于预置门频率时,在精确门内就无法计数了。
由于题目最低待测频率为1Hz, 且门限可以为1s,等精度测频法可以满足要求。
②相位测量方法分析设IN1和IN2为两路输入信号经过整形得到的方波信号,Gate2为IN1和IN2经过异或之后得到的脉冲信号,Fo为FPGA内部的标准高频脉冲信号。将IN2进行八分频,结合单片机控制,可以得到一个动态门控信号Gatel。

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动态门控与脉冲信号相“与”,可以得到门限内的有限个脉冲信号Gate2。易知,Gate1 中含有IN2的4个周期,Gate2 含有8个异或脉冲。在其中分别对clk进行计数,分别得到计数值M和N。当0°<φl-φ2<180° 时,根据公式N/△φ。= φ1-φ2=-/8;X360°,可以精确地测得相位差绝对值。其时序图如图1.2M4所示。由于对高频脉冲计数可能存在士1的误差1 N+81Nδmx (△q)=Oφ -△φ=一-XX360°---X--X3602M-12M41440°即δmx (△p)=x360°≈M -1M    在F=100KHz,时,M mi≈1600, 则δ (Op)≈0.9° ,满足题目测量准确度max为1°的要求。在Aφ=φl-φ2<180° 时,可以直接用公式(2)得到相位差,即△φ=△φ。。当△φ=φ1-φ2> 180°时,相位差△ρ= 360° -△p。。
    为了判断Sφ的区间,我们在FPGA内部生成一个D触发器,以IN1为触发器的数据输入,IN2为触发器的时钟输入,若触发器输出端为高电平,则0° <△φ<180°,若输出端为低电平,则180° <△φ< 360°。

    1.2器件选择①比较整形模块对正弦波进行频率测量,需要先将其整形为方波。而信号频率范围从1Hz到35MHz,一.般的比较器无法达到这么宽的频率范围,于是我们采用两个TI公司的比较器TL3116和LM311,分别用做高频信号和低频信号的比较整形。
    TL3116是一款超高速的比较器。它的输入共模电压可以达到负供电电压值,适合对地电平敏感的应用场合。它的偏置电压很小,精度很高。速度极快,且功耗很低,在标准情况下,只需要12.7mA的电流就可以达到低至10ns 的传输延迟时间。使用它来进行35MHz信号的比较整形,非常适合。
    LM311是一款高速比较器,响应时间稍大于100ns。是一-款用途很广泛的通用芯片。采用这款比较器对低频信号进行整形,效果很好。

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。
    OPA637是一款高精度高速Difet 运算放大器。绝缘隔离FET(Difet)技 术能够制造精度非常高的低噪声运算放大器。Difet工艺还使寄生电容和输出晶体管饱和效应减至最小,从而改进带宽特性并获得了更宽的输出摆幅。它的Difet制造工艺使之在不引入附加输入电压噪声的条件下获得非常小的输入偏置电流。如.
    此低的输入偏置电流保证了它的共射共基电路具有很宽的共模输入电压范围。
    Ti公司的OPA637具有高增益带宽积、高摆率、低噪声的特性。在频率为10KHz时噪声只有4.5nV/VHz。它的建立时间很短,450ns 可以达到0.01%,摆率可达135V/us。当增益G≥5时输出很稳定。尽管处理频率高于10MHz的信号时,输出信号会有一定衰减,但是已经能够满足后级比较器的输入信号幅度要求。
    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- -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,最大的偏置电压为士250uV,最大偏置电流为+1pA。建立时间较短,在lus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相位测量模块在相位检测模块中,为了防止引入额外相差,我们采用了Ti 公司的双路放大器TL052进行前级幅度调理,采用双路比较器TLC372进行比较整形。
    TL052是一款增强型结型场效应管低偏置运算放大器。在标准情况下,TL052摆率为20V/us,速度较快,且功耗很低。
    TLC372是一款LinCMOS双差分输入比较器。它的输入电压范围很宽,可达2V~ 18V;耗尽电流很小,在5V时只有150uA; 它具有很高的输入电阻,标准情况下可达1022,可以直接与高阻信号源相连。内部还集成有静电放电保护电路。它具有极小的输入偏置电流,标准情况下只有5pA;具有极低的输入偏置电压,最大情况下有5mV。
    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NT,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 进行比较整形,所得方波信号输入到FPGA的测相模块。系统的总体框图如图2.1所示。

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2.1.2功能模块设计
①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。峰值检波电路是由二极管电路和电压跟随器组成,其工作原理为:
当输入电压正半周通过时,检波管D2导通,对电容C1充电,直到到达其峰值。
三极管的基极由单片机控制,产生10us的高电平使电容放电,以减少前一频率测量对后--频率测量的影响,提高幅值测量精度。其中D1处于常导通状态,用以补偿D2.上造成的压降。电容C1的取值需根据被测信号的频率合适的选取,此电路中的二极管使用高频二极管,可大大提高测量范围的频率.上限。其电路图如图2.2所示。

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②宽带通道放大器分析
为    进行程控放大。当测得的信号峰峰值Vp_ p<0.1V 时,设定放大倍数为120,当
    0.1V<Vp_ p<1V时设定放大倍数为10,当Vp_ p>1V时,设定放大倍数为1。
    以MAX309为模拟开关,用OPA637接成--级同相放大器进行10倍增益放大。用两级OPA637级联进行120 倍放大。其原理图如图2.3。了检测有效值0.005V~ 5V的信号(即Vp_ p为0.014V~14V)的频率,而高频比较器TL3116能检测到的输入信号的最小幅度Vp_ p=0.8V, 因此需要对信号、

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    ③比较整形电路在测频、测周部分,由于我们没有带宽由1Hz到35MHz的比较器,所以采用分段处理的方法实现整个频带的测量,高频部分用TI公司的TL3116实现,低频部分采用LM311。为抑制干扰引起的误翻转,我们采取了带正反馈的滞回比较电路的形式。在反相输入方式时,其正向阈值电压u,=-R,2_ -x5V,对应R,+Rp比较后信号的下降沿。负向阈值电平为0V,对应于比较后信号的上升沿。故输出信号的上升沿仍属过零比较。其电路图如图2.4所示。
    测相的两路信号经过整形,要使产生的额外相差最小,必须保证两路通道参数的一-致性,选用TI公司的双路比较器TLC372。其电路图如图2.5所示。

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④FPGA模块
本系统采用数字方法在FPGA内部进行频率和相位差的测量。其电路图如图2.6所示。其中fx_h和fx_1分别为高频信号和低频信号输入端。CH1和CH2分别为两路相位信号输入端。

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④FPGA模块
本系统采用数字方法在FPGA内部进行频率和相位差的测量。其电路图如图2.6所示。其中fx_h和fx_1分别为高频信号和低频信号输入端。CH1和CH2分别为两路相位信号输入端。

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。程序流程图如图2. 7所示。

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    2.2.2软件设计注意事项
①模块化编程。各个模块具有- -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

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    3.3误差分析
    ①频率测量
    频率测量采用等精度测频法,计算在精确门限内的高频标准脉冲个数和待测.
    信号的周期数。对于高频标准脉冲的计数可能会产生+1的误差。但是由于我们采用40M的高频标准脉冲,在闸门时间为1s 的情况下,根据公式(1),误差可以控制在10-以内,甚至达到10-7。实际上,我们测试的结果也证实了这一一点。
    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--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。

4附录
    系统由5个模块构成:控制核心模块,峰值检波模块,程控放大模块,测频比较整形模块,相位测量模块。
    控制核心模块集成了单片机,FPGA,键盘和LCD等,如图4.1 所示。
    峰值检波模块后级是一-级用Ti公司的OPA602实现的射级跟随器。在程控放大模块中的三片宽带运放为Ti公司的OPA637。在测频比较整形模块中,两片比较器分别是Ti公司的LM311和TL3116。在相位测量模块中,- -片双运放为Ti公司的TL052,一片双路比较器TLC372。其具体位置如图4.2所示。
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