多功能计数器(C题)
摘 要
本系统以MSP430单片机和FPGA为核心，通过对正弦信号的滤波和放大，得到幅值合适的正弦波，然后用过零比较器对正弦信号整形，得到标准的方波，再由FPGA对其频率和周期进行测量，放大后的正弦波经相移电路和整形电路，得到另一路方波，再由FPGA对这两路信号进行相位差的测量。本系统可测量1Hz～10MHz的信号，幅值范围为10mVrms～5Vrms，频率误差为10-6，相位准确度为1°。 关键字：FPGA 计数器 频率测量 相位差测量
Abstract
The system use MSP430 and FPGA as the basic controller. In order to get the appropriate signal the system needed, we pass the sinusoidal signal through the filters and the amplifiers and then use zero comparator to do the conversion that converting the sine wave to square wave. We use the square wave as the input signal to FPGA for frequency measuring . The amplified sine wave passing through the phase-shift circuit and the conversion circuit creates another square wave. We use the FPGA to measure the phase between them. The system can measure the signal that the frequency arranged from 1Hz to 10MHz and the amplitude in the range of 10mVrms to 5Vrms.
keywords：FPGA counter frequency measure phase measure
1方案设计
1.1 理论分析
1.1.1 频率周期测量
T=1/f，测出频率，通过公式就可以计算出周期，故只需考虑频率的测量方法。 将信号分为两部分来测量，一个计数器以信号频率作为计数脉冲，记录信号
的周期数，另一个计数器以标准频率作为计数脉冲，每当信号出现一个上跳沿时，计数器
就清零，重新计数，这样可以记录不足一个信号周期内的标准频率脉冲的个数，通过与完整周期信号作比，就可以计算信号频率的小数部分，此方法结合了直接测频法和周期测频法的优点，具有较高的精度，可以满足10-6的要求。 1.1.2 相位差测量
测量出2个同频方波的前沿(或后沿) 之间的时间差与一个周期时间的比例,即为这两个被测信号之间的相位差。时间的测量采用标准频率脉冲计数的方法，因此,计数脉冲频率越高,测量精度越高。由于FPGA 的工作频率可以达到很高， 可以满足准确到1°的要求。 1.2 选用的TI器件及介绍
考虑到本题中幅值范围0.1Vrms—5Vrms，信号不能直接给FPGA处理，必须经过放大整形，且信号的频率范围1Hz~10MHz，频带比较宽，因此必须选用宽带高速的运放作前级放大，我们选用了OPA690。OPA690是一款宽带高速电压反馈型运放，其单位增益稳定值为500MHz (G = 1)，压摆率为1800V/us，输出电压幅值最大可达±4.0V，双电源供电范围为±2.5V to ±5V，亦可单电源供电，内部自带钳位保护电路，非常适合系统设计要求。并且其静态工作电流非常小，输出的电流大，带使能端。
1.3 设计方案论证
1.3.1频率周期测量及误差分析
频率测量原理如图2.2,其中闸门时间T由FPGA产生，FPGA晶振为30MHz，经锁相环倍频到200M,计数200M次的时间为1s，标准频率由FPGA的时钟提供，即为200MHz，N为待测信号完整周期的个数，x1为不足一个周期内的时钟脉冲的个数，单位周期内的脉冲个数
2?108?x1count=
Nx1与count之比即为频率的小数部分Δf，故待测信号频率为
fx=
Δf=N+
Nx1 82?10?x1 误差分析：计数器直接测频的误差主要由两项组成：即量化误差（±1误差）和标
准频率误差，量化误差是频率测量的主要误差，标准频率误差一般可忽略，于是得到
Δfx=(N+
N(x1?1)Nx1N)-(N+)≈ 8882?10?(x1?1)2?10?x12?10?x1误差为：
?fx?10?8，满足题目发挥部分的要求。由于周期测量和频率测量都可以采用此方fx法，同理，周期的误差为10-8。
闸门时间(1s)
1
Nx1待测信号 标准频率
图 1.1 频率测量原理图
1.3.2 相位差检测及误差分析
将2个同频被测信号整形为2 个方波信号，然后测量出这2 个同频方波的前沿(或后沿) 之间的时间差比例,即为这两个被测信号之间的相位差。如图1.2所示为正弦信号整形和相移后形成A和B两路方波，若A的1个信号周期的标准频率脉冲的个数为N 个, A与B的相邻上升沿之间的计数脉冲的个数为n,则A ,B 两路之间的相位差为:
n?3600 N相位的分辨率为360/N，。当被测信号的频率一定时,计数脉冲的频率决定了相位测量的精度。要达到1°的准确度，脉冲的频率必须是被测信号频率的360倍，输入信号的最大频率为100kHz，故需要的计数脉冲最小为36M，我们采用200M的计数频率，可以满足要求。
NAnB 图 1.2 相位差检测原理图
2、系统实现
2.1硬件设计 2.1.1 系统框图
正弦波先经过LC滤波和放大电路，使其信号幅度在合适的范围内，然后分为两路，一路直接整形变为方波，送入FPGA进行频率测量，另一路经过一个移向电路，并整形，送入FPGA和原始信号比较，测量相位差，最后由MSP430单片机完成周期的计算和显示部分。系统框图如图2.1。
信号输入滤波宽带放大信号整形FPGAMSP430单片机移向电路信号整形显示
图2.1 系统原理框图
2.1.2 接口设计 (1)宽频放大及整形电路
2
电路采用的运放为OPA690，其输入电压为±2.5V～±5V，我们采用±3.3V供电，便于和MSP430与FPGA通信。并在电源和地之间接104电容，消除电源纹波，提高电路的稳定度。 宽带信号放大电路如图2.2所示，放大电路设计为同相放大电路，可以增大输入阻抗。每一级的放大倍数为21倍左右，一方面可以充分发挥OPA690高达500MHz单位稳定增益值，另一方面可以抑制高频噪声。OPA690虽然为电压反馈型运放，但其反馈电阻的最佳值为200Ω～1.5kΩ，因其设计中将其反馈电阻值设为1kΩ。由于OPA690内部自带了钳位保护电路，钳位二极管最高可以承受30mA的电流。输入信号最高峰值为7.07V，OPA690的工作电压为±3.3V，因其在信号输入端必须串接了一个最小值为125Ω的保护电阻，并且该电阻应尽量的小，过大会影响电路的噪声性能和频率响应。综合考虑，将其值设计为330Ω。图2.3为所设计的宽频放大电路使用TINA仿真所得的幅频特性图，仿真结果符合设计要求。
图2.2 宽带信号放大电路
图2.3 宽频放大电路仿真图
放大后的信号先经过由OPA690构成的过零迟滞比较器整形，然后再用施密特触发器
3
74HC14整形，消除信号抖动。电路如图2.4
图2.4 整形电路原理图
(2)移相电路
由于简单的RC移相电路，当信号移相45°时输出振幅会衰减-3dB。我们设计了振幅不变的RC移相电路，其相频特性为：
tan?2?1
2?fRC通过改变R值可实现信号相位从0到180°的变化，将RC移相电路级联并将两个R值联动调节，则可以实现0～360°的相位可调。信号的频率范围在10Hz～100kHz，准确度为1°，当f=10Hz时，R取最大值，取电容值为2.2uF，代入上式得
R?12?fCtan?2=0.83MΩ
我们选择1MΩ的滑动变阻器调节相位，考虑到调节的精确性，采三个RC电路级联，可实现步进1°。
10K10K10Kinput--10K+10KTL0822.2uF10KOUT10K+OUT--10KTL0822.2uF10K--OUT+TL0822.2uFoutput
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