多功能计数器系统电路设计 - 全文

　　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。

　　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。峰值检波电路是由二极管电路和电压跟随器组成，其工作原理为：当输入电压正半周通过时，检波管D2导通，对电容C1充电，直到到达其峰值。三极管的基极由单片机控制，产生10us 的高电平使电容放电，以减少前一频率测量对后一频率测量的影响，提高幅值测量精度。其中D1处于常导通状态，用以补偿D2 上造成的压降。电容C1 的取值需根据被测信号的频率合适的选取，此电路中的二极管使用高频二极管，可大大提高测量范围的频率上限。其电路图如图2.2 所示。

　　宽带通道放大器分析

　　为了检测有效值0.005V~ 5V的信号（即Vp_p 为0.014V~14V）的频率，而高频比较器TL3116能检测到的输入信号的最小幅度Vp_p=0.8V，因此需要对信号进行程控放大。当测得的信号峰峰值Vp_p小于0.1V 时，设定放大倍数为120，当0.1V～1V 时设定放大倍数为10，当Vp_p大于1V时，设定放大倍数为1。以MAX309为模拟开关，用OPA637接成一级同相放大器进行10倍增益放大。用两级OPA637级联进行120倍放大。其原理图如图2.3。
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　　比较整形电路
　　在测频、测周部分，由于我们没有带宽由1Hz 到35MHz 的比较器，所以采用分段处理的方法实现整个频带的测量，高频部分用TI公司的TL3116实现，低频部分采用LM311。为抑制干扰引起的误翻转，我们采取了带正反馈的滞回比较电路的形式。

　　在反相输入方式时，其正向阈值电压，对应比较后信号的下降沿。负向阈值电平为0V，对应于比较后信号的上升沿。故输出信号的上升沿仍属过零比较。测相的两路信号经过整形，要使产生的额外相差最小，必须保证两路通道参数的一致性，选用TI 公司的双路比较器TLC372。

　　FPGA 模块

　　本系统采用数字方法在FPGA 内部进行频率和相位差的测量。其电路图如图2.6 所示。其中fx_h 和fx_l 分别为高频信号和低频信号输入端。CH1 和CH2分别为两路相位信号如数端。