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1 多功能计数器摘要本设计以C8051F020 单片机和FPGA 器件为核心,使用了由差分放大器和压控放大电路组成的宽带放大电路对弱信号进行放大，采用了高精度恒误差测频及测周原理和分段测频，测周等措施.各项实测表明，整个设计实现了多功能计数器的基本功能及发挥部分要求，达到了较高的性能指标。【关键词】等精度测量压控放大器一、方案论证与比较（一）频率测量方案一：直接测频法。直接测频是把被测频率信号经脉冲形成电路后加到闸门的一个输入端，只有在闸门开通时间T(以秒计)内，被测计数的脉冲被送到十进制计数器进行计数。设计数器的值为N，由频率定义式可以计算得到被测信号频率为 f=N/T。经分析，本测量在低频段的相对测量误差较大，增大T可以提高测量精度，但在低频段仍不能满足赛题发挥部分的要求。方案二：组合法。直接测量周期法在低频段精度高。组合测频法是指在低频时采用直接测量周期法测信号周期，然后换算成频率。这种方法可以在一定程度上弥补方法(1)的不足，但是难以确定最佳分测点，且电路实现较复杂。方案三：倍频法。直接测频法在高频段有着很高的精度。可以把频率测量范围分成多个频段，使用倍额技术，根据频段设置倍额系数将经整形的低频信号进行倍频后再进行测量，高频段则进行直接测量。方案四：多周期同步测频法。图1-1 为多周期同步测量频率的原理框图。图 1-1 多周期同步测频原理框图预置一定宽度的闸门信号，加至D 触发器以形成同步闸门信号TC，被测信号频率 fx分两路加入，一路加至 D 触发器作为 CP 时钟，和预置闸门一起作用，在 Q端形成同步闸门，并分别加到主门1 和主门 2，将主门 1，主门 2 同时打开，被测信号频率 fx通过主门 1 进入计数器 1，对进入的 fx周期数进行计数，得到结果为 Nx，同时晶振标准频率f0通过主门 2 进入计数器 2，得到计数值为 N0，显然fx=NX/N0f0，相对误差公式 土(2N0十f0f0)。从误差分析中可以看出，其测量精度与N0和标准频率 f0精确度有关，而与晶振50MHz 计数器（1#）计数器（2#）主门 NX 主门 N0单片机同步闸门D 触发器预置闸门脉冲fx T f0 CP D N0 Nx 2 被测频率无关。显然，N0决定于预置门时间和标准频率信号的频率，采用频率为 50 MHz 的晶体振荡器，则有 1/N0，预置门时间 TC1s，则 N0TC f0=15000000050000000，那么=210-8。我们选择方案四，闸门时间与被测信号同步，消除了对被测信号计数产生的1个字误差，测量精度大大提高，且测量精度与待测信号的频率无关。在整个测量范围内，精度比赛题发挥部分的要求高两个数量级。若提高晶振频率或闸门时间可以进一步提高精度。（二）周期测量(1)直接周期测量法。用被测信号经放大整形后形成的方波信号直接控制计数门控电路，使主门开放时间等于信号周期TX，时标为 TS的脉冲在主门开放时间进入计数器。设 TX为被测周期，TS为时标，在 TX期间计数值为 N，可以根据以下公式来算得被测信号周期：TXN TS，经误差分析表明，被测信号频率越高，测量误差越大。(2)等精度周期测量方法。本方法在测量电路和测量精度上与等精度频率测量完全相同，用周期 T0代换等精度频率测量公式中的频率倒数即可，计算公式为:TX=（T0 N0）/NX，式中TX为被测信号周期的测量值，N0、NX分别与 等精度 频率测量公式 中N0、NX含义相同。从降低电路的复杂度及提高精度上考虑，显然方案二远好于方案一，我们选择方案二。（三）相位差测量方案一：矢量法。任何一正弦函数都可以用矢量来表示,如两个正弦信号幅度相等、频率相同,运算器运用减法器则合成矢量的模:V=2E sin/2。这种方法用于测量小角度,灵敏度较好,可行度也较好；而在靠近 180附近灵敏度降低,读数困难也不准确。方案二：倍乘法。运算器是一个乘法器,两个信号是频率相同的正弦数,相位差为一个角度，运算结果再经过一个积分电路，得一直流电压V=k cos,电路的输出和被测信号相位差余弦成比例,因此其测量范围在 45以内,欲使测量范围扩展到 360,需要附加一些电路才能做到。由于应用了积分环节,可以滤掉信号波形中的高次谐波,抑制了谐波对测量准确度的影响。方案三：过零点检测法。将相位测量变为时间测量的方法,其原理是将基准信号通过零的时刻与被测信号通过零的时刻进行比较,由二者之间的时间间隔,推算出两信号之间的相位差。电路简单,对启动采样电路要求不高,同时该方法还具有测量分辨率高、线性好、易数学化等优点。上述三种测量相位的方法,从测量范围、灵敏度、准确度、频率特性和谐波的敏感性等技术指标来看,过零点检测法比较好,我们选择方案三。（四）总体设计方案选择方案一：采用单片机实现。此方案以 C8051F020 为核心,闸门信号由内部定时器T0 产生。用单片机内计数器 T0 和T1 分别记录时标脉冲和待测脉冲个数,计数结果经单片机处理后送显示电路。同时,也能利用软件对测量误差进行补偿,为调试、维护和功能的扩展带来了极大的方便，但是单片机受本身时钟频率和若干指令运算的限制，测量的速度较慢，而且无法满足高速度高精度的测量的要求。方案二：采用单片机和 FPGA 相结合的方式，用 FPGA 完成测量频率，周期，相位差逻辑功能，用单片机完成人机界面，系统功能控制，显示控制等作用。我们选择方案二。用等精度测量法通过调整闸门时间值，可以满足不同测量精度的要求，但运用此法时，其控制与运算电路较复杂，用常规电路难以实现。文档编码:CQ10E2R8M5U1 HB2Q10X7Z1P7 ZP5M1B6O8I9文档编码:CQ10E2R8M5U1 HB2Q10X7Z1P7 ZP5M1B6O8I9文档编码:CQ10E2R8M5U1 HB2Q10X7Z1P7 ZP5M1B6O8I9文档编码:CQ10E2R8M5U1 HB2Q10X7Z1P7 ZP5M1B6O8I9文档编码:CQ10E2R8M5U1 HB2Q10X7Z1P7 ZP5M1B6O8I9文档编码:CQ10E2R8M5U1 HB2Q10X7Z1P7 ZP5M1B6O8I9文档编码:CQ10E2R8M5U1 HB2Q10X7Z1P7 ZP5M1B6O8I9文档编码:CQ10E2R8M5U1 HB2Q10X7Z1P7 ZP5M1B6O8I9文档编码:CQ10E2R8M5U1 HB2Q10X7Z1P7 ZP5M1B6O8I9文档编码:CQ10E2R8M5U1 HB2Q10X7Z1P7 ZP5M1B6O8I9文档编码:CQ10E2R8M5U1 HB2Q10X7Z1P7 ZP5M1B6O8I9文档编码:CQ10E2R8M5U1 HB2Q10X7Z1P7 ZP5M1B6O8I9文档编码:CQ10E2R8M5U1 HB2Q10X7Z1P7 ZP5M1B6O8I9文档编码:CQ10E2R8M5U1 HB2Q10X7Z1P7 ZP5M1B6O8I9文档编码:CQ10E2R8M5U1 HB2Q10X7Z1P7 ZP5M1B6O8I9文档编码:CQ10E2R8M5U1 HB2Q10X7Z1P7 ZP5M1B6O8I9文档编码:CQ10E2R8M5U1 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10MHz，我们可设置两个档位进行切换。1Hz500KHz频段内，对放大器输出后的信号经比前置放大移相网络比较器 A 比较器 B 单片机整形电路键盘显示f0 fB fA 鉴相器FPGA 测频率周期测相位差文档编码:CQ10E2R8M5U1 HB2Q10X7Z1P7 ZP5M1B6O8I9文档编码:CQ10E2R8M5U1 HB2Q10X7Z1P7 ZP5M1B6O8I9文档编码:CQ10E2R8M5U1 HB2Q10X7Z1P7 ZP5M1B6O8I9文档编码:CQ10E2R8M5U1 HB2Q10X7Z1P7 ZP5M1B6O8I9文档编码:CQ10E2R8M5U1 HB2Q10X7Z1P7 ZP5M1B6O8I9文档编码:CQ10E2R8M5U1 HB2Q10X7Z1P7 ZP5M1B6O8I9文档编码:CQ10E2R8M5U1 HB2Q10X7Z1P7 ZP5M1B6O8I9文档编码:CQ10E2R8M5U1 HB2Q10X7Z1P7 ZP5M1B6O8I9文档编码:CQ10E2R8M5U1 HB2Q10X7Z1P7 ZP5M1B6O8I9文档编码:CQ10E2R8M5U1 HB2Q10X7Z1P7 ZP5M1B6O8I9文档编码:CQ10E2R8M5U1 HB2Q10X7Z1P7 ZP5M1B6O8I9文档编码:CQ10E2R8M5U1 HB2Q10X7Z1P7 ZP5M1B6O8I9文档编码:CQ10E2R8M5U1 HB2Q10X7Z1P7 ZP5M1B6O8I9文档编码:CQ10E2R8M5U1 HB2Q10X7Z1P7 ZP5M1B6O8I9文档编码:CQ10E2R8M5U1 HB2Q10X7Z1P7 ZP5M1B6O8I9文档编码:CQ10E2R8M5U1 HB2Q10X7Z1P7 ZP5M1B6O8I9文档编码:CQ10E2R8M5U1 HB2Q10X7Z1P7 ZP5M1B6O8I9文档编码:CQ10E2R8M5U1 HB2Q10X7Z1P7 ZP5M1B6O8I9文档编码:CQ10E2R8M5U1 HB2Q10X7Z1P7 ZP5M1B6O8I9文档编码:CQ10E2R8M5U1 HB2Q10X7Z1P7 ZP5M1B6O8I9文档编码:CQ10E2R8M5U1 HB2Q10X7Z1P7 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函数/任意波形发生器 DG1022（二）测试数据（更为详细的测试结果见附录3所示）1、频率测量用函数发生器产生1Hz10MHz 的信号，幅度范围在0.5Vrms5Vrms内，用设计多功能计数器测出频率。如表1-1 所示。表 1-1 频率测量数据标准输入频率（Hz）实际测量（Hz）本仪器测量误差1.000000 1.00005 4.910-510.000000 10.00008 7.910-5100.00000 100.0005 5.010-61.0000000 K 1.000003 K 3.010-610.000000K 10.00006K 6.010-6100.00000K 100.0003K 3.010-61.0000000M 1.000007M 7.010-610.000000 M 10.00009M 9.010-62、周期测量用函数发生器产生1Hz10MHz 的信号，幅度范围在0.5Vrms5Vrms内，用标准频率计测的标准周期，再用设计多功能计数器测出周期。如表1-2 所示。表 1-2 周期测量数据标准预置周期实际测量相对误差开始模块初始化按键选择测 量周期测 量 相位差数据采集，处理，显示模块测 量频率文档编码:CQ10E2R8M5U1 HB2Q10X7Z1P7 ZP5M1B6O8I9文档编码:CQ10E2R8M5U1 HB2Q10X7Z1P7 ZP5M1B6O8I9文档编码:CQ10E2R8M5U1 HB2Q10X7Z1P7 ZP5M1B6O8I9文档编码:CQ10E2R8M5U1 HB2Q10X7Z1P7 ZP5M1B6O8I9文档编码:CQ10E2R8M5U1 HB2Q10X7Z1P7 ZP5M1B6O8I9文档编码:CQ10E2R8M5U1 HB2Q10X7Z1P7 ZP5M1B6O8I9文档编码:CQ10E2R8M5U1 HB2Q10X7Z1P7 ZP5M1B6O8I9文档编码:CQ10E2R8M5U1 HB2Q10X7Z1P7 ZP5M1B6O8I9文档编码:CQ10E2R8M5U1 HB2Q10X7Z1P7 ZP5M1B6O8I9文档编码:CQ10E2R8M5U1 HB2Q10X7Z1P7 ZP5M1B6O8I9文档编码:CQ10E2R8M5U1 HB2Q10X7Z1P7 ZP5M1B6O8I9文档编码:CQ10E2R8M5U1 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349.2 0.8（三）误差分析与电路抗干扰措施从测试结果可以看出，利用该多功能计数器对输入信号频率周期及相位差的测量结果基本达到10-6，这种误差来自于晶振稳定度，闸门的设置时间，还有比较器输入端常常叠加有很小的波动电压，在电压在过零时输出状态发生改变，这些波动所产生的差模电压会导致比较器输出有抖动。考虑到干扰设置了以下几项抗干扰措施：采用双电源分别向显示和信号处理单元供电，以减小交叉干扰，并在线路板上多处加装去耦滤波电容，对高低频干扰信号具有很强的抑制能力。五、总结本文介绍了一种基于单片机和FPGA 的等精度测频率，周期和相位差的方法，频率和周期测量误差基本达到10-6，相位差的分辨率为0.1，输入信号的电压可以扩宽到 10mVrms5Vrms，频率范围也可扩展到1Hz10MHz，较好的实现了题目中发挥部分要求。附录 1：文档编码:CQ10E2R8M5U1 HB2Q10X7Z1P7 ZP5M1B6O8I9文档编码:CQ10E2R8M5U1 HB2Q10X7Z1P7 ZP5M1B6O8I9文档编码:CQ10E2R8M5U1 HB2Q10X7Z1P7 ZP5M1B6O8I9文档编码:CQ10E2R8M5U1 HB2Q10X7Z1P7 ZP5M1B6O8I9文档编码:CQ10E2R8M5U1 HB2Q10X7Z1P7 ZP5M1B6O8I9文档编码:CQ10E2R8M5U1 HB2Q10X7Z1P7 ZP5M1B6O8I9文档编码:CQ10E2R8M5U1 HB2Q10X7Z1P7 ZP5M1B6O8I9文档编码:CQ10E2R8M5U1 HB2Q10X7Z1P7 ZP5M1B6O8I9文档编码:CQ10E2R8M5U1 HB2Q10X7Z1P7 ZP5M1B6O8I9文档编码:CQ10E2R8M5U1 HB2Q10X7Z1P7 ZP5M1B6O8I9文档编码:CQ10E2R8M5U1 HB2Q10X7Z1P7 ZP5M1B6O8I9文档编码:CQ10E2R8M5U1 HB2Q10X7Z1P7 ZP5M1B6O8I9文档编码:CQ10E2R8M5U1 HB2Q10X7Z1P7 ZP5M1B6O8I9文档编码:CQ10E2R8M5U1 HB2Q10X7Z1P7 ZP5M1B6O8I9文档编码:CQ10E2R8M5U1 HB2Q10X7Z1P7 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