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测量信号相位基于单片机和FPGA的多功能计数器的设计

1 引言

  频率、周期、相位是交流信号的3大要素。一般情况下,分析交流信号需研究其频率与相位,而周期可直接由频率计算。对于正弦信号的频率、相位测量准确度的要求不断提高,而随着电子技术的发展,对其测量方法仍不断改进完善。较早采用直接频率测量的测频法,为了保证测试精度,一般低频信号采用测周期法,而高频信号采用测频法,测量很不方便。而相位测量最初采用测量信号一个周期参数的方法,该方法精度适用于低频,而高频时误差变大。该多功能计数器采用等精度测量法来测量信号频率,同时采用基于单片机FPGA的计数相位测量方法完成精确相位测量,并能在液晶显示器实时显示当前信号的频率、周期和相位差。该计数器将正弦信号频率和相位的测量于一体,精度高,实用性强。

  2 方案设计论证

  2.1 频率测量

  等精度测量法的测量时间是人为设定的,闸门的开启和闭合由被测信号的上升沿来控制,测量精度与被测信号频率无关,因而可以保证在整个测量频段内的测量精度保持不变。被测信号的计数是同步的,对于基准信号来说,存在±1的误差,只要计数足够大,可满足高精度要求。

  2.2 相位测量

  相差一时间测量法是将整形后的两路方波送入FPGA,分别检验出两个信号的上升沿,通过FPGA内部计数器在两个信号的上升沿间对晶振进行计数。在低频段时,RC滤波电路的输出波动很大,该相位测量通过采用高频率的计数脉冲,相位受信号频率影响小,可实现较高的测量精度。

  3 系统硬件电路设计

  该系统硬件电路设计是由峰值检波采样、整形比较、宽带通道放大、频率测量、相位测量、显示等模块构成。低频比较器LM311对1 Hz到2 MHz的信号整形效果较好,高频比较器TL3116对200 kHz以上的信号整形效果较好。为实现1 Hz到10 MHz信号的频率测量,该系统以1为0.01~5 V的信号,应将其经峰值检波、A/D转换后选择模拟开关通道进行程控放大,经整形后测量,最后将测量结果送入显示模块图1为该系统整体框图。

系统整体框图

  3.1 程控放大电路

  程控放大分为3段,对0.01~50 mV的小信号放大100倍,50 mV~1 V的小信号放大10倍,1~5 V的信号不放大。选用8路模拟开关MAX308,为了采集与实现毫伏级信号,必须使用宽带放大电路进行放大,故采用TI公司的OPA637宽带运放实现 Gain="11及Gain"=120的放大。图2为OPA637增益为11倍的放大电路,增益为120的放大电路用2级OPA637级联即可实现。

OPA637增益为11倍的放大电路

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