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1 引言 頻率、周期、相位是交流信號的3大要素。一般情況下，分析交流信號需研究其頻率與相位，而周期可直接由頻率計算。對于正弦信號的頻率、相位測量準確度的要求不斷提高，而隨著電子技術的發展，對其測量方法仍不斷改進完善。較早采用直接頻率測量的測頻法，為了保證測試精度，一般低頻信號采用測周期法，而高頻信號采用測頻法，測量很不方便。而相位測量最初采用測量信號一個周期參數的方法，該方法精度適用于低頻，而高頻時誤差變大。該多功能計數器采用等精度測量法來測量信號頻率，同時采用基于單片機和FPGA的計數相位測量方法完成精確相位測量，并能在液晶顯示器實時顯示當前信號的頻率、周期和相位差。該計數器將正弦信號頻率和相位的測量于一體，精度高，實用性強。 2 方案設計論證 2．1 頻率測量 等精度測量法的測量時間是人為設定的，閘門的開啟和閉合由被測信號的上升沿來控制，測量精度與被測信號頻率無關，因而可以保證在整個測量頻段內的測量精度保持不變。被測信號的計數是同步的，對于基準信號來說，存在±1的誤差，只要計數足夠大，可滿足高精度要求。 2．2 相位測量 相差一時間測量法是將整形后的兩路方波送入FPGA，分別檢驗出兩個信號的上升沿，通過FPGA內部計數器在兩個信號的上升沿間對晶振進行計數。在低頻段時，RC濾波電路的輸出波動很大，該相位測量通過采用高頻率的計數脈沖，相位受信號頻率影響小，可實現較高的測量精度。 3 系統硬件電路設計 該系統硬件電路設計是由峰值檢波采樣、整形比較、寬帶通道放大、頻率測量、相位測量、顯示等模塊構成。低頻比較器LM311對1 Hz到2 MHz的信號整形效果較好，高頻比較器TL3116對200 kHz以上的信號整形效果較好。為實現1 Hz到10 MHz信號的頻率測量，該系統以1為0．01～5 V的信號，應將其經峰值檢波、A／D轉換后選擇模擬開關通道進行程控放大，經整形后測量，最后將測量結果送入顯示模塊圖1為該系統整體框圖。 3．1 程控放大電路 程控放大分為3段，對0．01～50 mV的小信號放大100倍，50 mV～1 V的小信號放大10倍，1～5 V的信號不放大。選用8路模擬開關MAX308，為了采集與實現毫伏級信號，必須使用寬帶放大電路進行放大，故采用TI公司的OPA637寬帶運放實現 Gain=11及Gain=120的放大。圖2為OPA637增益為11倍的放大電路，增益為120的放大電路用2級OPA637級聯即可實現。 3．2 過零比較電路 輸入信號送入LM311進行滯回比較，可較好消除邊緣毛刺，實現低頻信號整形。 TL3116是高頻比較器，輸入信號送入TL3116滯回比較，獲得較為理想的高頻方波整形信號。故測頻時分兩段設計整形電路，整形電路將輸入的周期信號整形成同頻的方波輸入FPGA進行測頻。圖3為LM311滯回比較電路，TL3116外同電路與其相同。 4 系統軟件設計 該系統軟件設計分為測頻和測相兩部分。測頻時信號經峰值檢波，A／D采樣后送入FPGA，選擇模擬開關對不同幅度段的信號進行程控放大。放大后的信號分別經兩路比較器整形，然后送往FPGA內分別計數，高頻時采用經高頻比較器整形后的計數值，低頻時采用經低頻比較器整形后的計數值，準確測得信號頻率。測相則直接將經低頻比較器整形后的信號送入FPGA計數可得。程序流程如圖4所示。 5 結束語 正弦信號的頻率、周期和相位差測量的多功能計數器實現了對頻率1Hz～10 MHz、幅度0．01～5 Vrms的正弦信號精確測頻。其精度達到10-6Hz。同時，該計數器設計也實現頻率10 Hz～100 kHz、幅度0．5～5 Vrms的正弦信號精確測相，準確度達到1°，并且能在液晶顯示器實時顯示當前信號的頻率、周期和相位差。該系統操作簡單，模塊化程度高，精度高，顯示界面友好，具有較強的可行性和實用性，具有良好的市場前景。 |
