多功能计数器——武汉大学

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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
( j" e# e$ e* {/ {2 S4 w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
! ^; n  M- w$ k) y8 B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
9 G" i6 q- d2 V1 ?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
3 f: i4 Q1 R) E9 y) G7 I: @和手动校准的功能。

  Z4 @9 G' P0 d$ @& i1.2 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
4 _) M% |" Q) w& _7 M- S, q" m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
" N! y9 X6 M& j# U" o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。
! b! H2 K! v6 {; S! q1 MLM311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
, l) M2 k! \1 Z# q- ^用芯片。采用这款比较器对低频信号进行整形，效果很好。
% D1 g5 G/ d5 {# m+ `# B1 z② 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
# Q. }  n: r4 t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
5 _4 |. \3 Q4 K( H, J4 c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。
3 _% R# n4 ]% n9 A( d( y8 |4
" c) L6 X6 n2 g% @" zOPA637 是一款高精度高速Difet 运算放大器。绝缘隔离FET(Difet)技术能
3 b5 Y( O" @  ~4 s6 N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
$ N/ `' J8 G" L- L0 o! S5 a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。
9 J* j0 n. E- j3 G/ CTi 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
7 @3 v1 h. F, V& ?10KHz 时噪声只有4.5nV / Hz 。它的建立时间很短，450ns 可以达到0.01%，摆
" r7 j# A, A* l% u率可达135V/us。当增益G 3 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。
% [. H& U. W( y; Q- _( d③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。峰值检波后级为一级射级跟随器，起到模块间隔离的作用。射随电
% r! j2 k: u) h9 \' f/ R# F5 n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
$ s7 S1 E1 _7 r% m7 ?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
" n: q# G9 _6 z7 i置电压为± 250uV ，最大偏置电流为±1pA。建立时间较短，在1us 内可以达到
0 q0 |6 z) X) ^- L0.01%。单位增益输出稳定而且可以驱动高达1500pF的容性负载。
" [0 R9 F/ L0 c" i: p④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。
% P( v5 A0 ~4 c+ gTL052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。
) s, i1 C/ Z3 r3 Q2 L2 a; R5 G) hTLC372 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W 12 10 ，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
) ^9 a4 r+ X8 i3 m电压，最大情况下有5mV。
1.3 设计方案论证
①测频、测周方案
( D1 G+ w/ H( Q: D: o$ O( I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。
4 s6 R- ]$ e/ ^$ y' \: ?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
7 I  \2 W, X6 y; O2 ~. L  M5
3 @- C4 I* V" ?4 n: H适合于高频信号的测量。
) q* Z9 w6 C# h1 j7 ?* v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
: e- i  t! I9 w+ ^存在精度不够的问题，此方案适于低频信号的测量。
8 D- J: P6 X0 Z" f7 T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
  F6 F& |7 m: Q+ @# s  o! {+ W4 `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
# b% N5 k) t6 k( Q* y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
# c' V3 ?& l7 F  p, n" E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DT ，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。
0 S4 d) p" {. k# T; o4 R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
+ Q) M8 Z4 V9 c2 r: r! r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。
0 }) I5 e3 X# x% Y$ s4 e1 _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。
9 }* B+ u: ~4 M综上所述，选取方案三。
③信号采集与调理方案
3 |5 @9 ]. i0 ?0 v& [* K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
% V. ]: W2 L  p3 v( r5 B7 z# W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。
; f* p9 b, @. L* z/ H6 N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。
- W  b; k$ E2 ~% q* ^9 Y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
1 u# ]1 V& }7 R1 ^5 b; t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。

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