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和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。

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。

3．2 过零比较电路
    输入信号送入LM311进行滞回比较，可较好消除边缘毛刺，实现低频信号整形。 TL3116是高频比较器，输入信号送入TL3116滞回比较，获得较为理想的高频方波整形信号。故测频时分两段设计整形电路，整形电路将输入的周期信号整形成同频的方波输入FPGA进行测频。图3为LM311滞回比较电路，TL3116外同电路与其相同。

4 系统软件设计
    该系统软件设计分为测频和测相两部分。测频时信号经峰值检波，A／D采样后送入FPGA，选择模拟开关对不同幅度段的信号进行程控放大。放大后的信号分别经两路比较器整形，然后送往FPGA内分别计数，高频时采用经高频比较器整形后的计数值，低频时采用经低频比较器整形后的计数值，准确测得信号频率。测相则直接将经低频比较器整形后的信号送入FPGA计数可得。程序流程如图4所示。

5 结束语
    正弦信号的频率、周期和相位差测量的多功能计数器实现了对频率1Hz～10 MHz、幅度0．01～5 Vrms的正弦信号精确测频。其精度达到10-6Hz。同时，该计数器设计也实现频率10 Hz～100 kHz、幅度0．5～5 Vrms的正弦信号精确测相，准确度达到1°，并且能在液晶显示器实时显示当前信号的频率、周期和相位差。该系统操作简单，模块化程度高，精度高，显示界面友好，具有较强的可行性和实用性，具有良好的市场前景。