多功能计数器-华中科技大学

　　一方案论证与设计

　　1.1 方案设计

　　1.1 方案设计

　　1.1.1 频率测量方案方案一：快速傅里叶变换 ：快速傅里叶变换数据由 AD 离散后，经 FIR 滤波，送入基-4 快速傅里叶变换引擎进行多级蝶形运算，从 3 组 ROM 表中取出旋转因子乘入每次蝶形运算，对每级计算输入数据进行定浮点动态指数处理，在蝶算单元之外对存放每级输入输出数据的多组双口 RAM 的地址用逻辑模块进行调序来实现连贯的 log4N 级蝶算。对所得正弦余弦结果，通过 CORDIC 算法，经大面积逻辑单元的移位及流水线操作得到信号在整数倍基频处的模量。即完成时域到频域的转换。方案二：等精度计数将正弦信号进行迟滞比较转化为同频率的方波信号，在 FPGA 内，通过逻辑模块实现等精度频率测量并送 NIOS 核处理。测得 1s 左右闸门时间内整周期待测信号的时间段中，低频待 3 测信号和高频参考信号周期累计数之比，乘以参考频率即得带测信号频率。对于以上两种方案进行比较，方案一速度快，可达到实时性测量，测量频率范围宽，但因频率分辨率完全依靠离散傅里叶变换的点数。逻辑单元和 RAM 的限制使得 FFT 不可能达到高频率分辨率，仅适合多频率混合时的测频。而方案二可在极小的消耗下实现非常精确的分辨率，在信号失真度较小，且外围环境稳定时是测频的理想方案。

　　1.1.2 相位测量方案方案一：将两路同频信号在时域叠加，经 FFT 运算后，求得频域实部与虚部的模量之比的反正切值，即为正交分离下的正弦余弦相位差，作处理得到两路正弦相位差。方案二：将被测的两路正弦波信号经比较器整形成方波信号，利用异或门电路进行鉴相处理，将得到的脉冲序列经过 AD637 真有效值-直流转换芯片，测出该脉冲序列的有效值，该有效值与脉冲序列的占空比成正比，从而反推出两信号的相位差。方案三：测得两同频率待测信号对应跳沿的时间差中时钟脉冲的个数，与整周期时钟脉冲数比较，从而得出相位差。比较三种方案，方案一在二分之一取样频率内整倍取样频率时的幅值可轻易达到的 8 位以上分辨率，因而计算出的相位准确度较高，但在时域上将两信号叠加所引入的误差难以很好控制，导致最终效果差。方案二在低频段时，AD637 响应不平坦，转换精度有限。方案三在两信号相差较小或频率较高时，将导致相差时间计数脉冲数量不足，导致下降，但其实现简单方法简单可靠，误差最小。