基于FPGA的频率周期及相位差测量的多功能计数器的实现

实验研究

基于F G P A的频率周期及相位差测量的多功能计数器的实现李虎成(中科技大学水电与数字化工程学院，华武汉 4 0 7) 3 0 4

摘要：本文介绍了种基于F G的多功能计数器，一 PA该计数器包括数字式频率周期测试仪、字式相位测试仪两部分。字式频率数数周期测试仪，通过 F G实现频率周期的精确测量， PA结合单片机进行乘除法运算并显示；数字式相位测试仪通过F G实现对两路处理过的 PA

信号的等精度测量，结合单片机进行乘除法运算并显示。本多功能计数器模块化程度好、集成度高，具有友好人机交互界面且易于外部功能的扩展。 关键词： P A测频； F G;测相

0引言

号很小，以在硬件电路中又涉及到信号放大模块。所

测量一个信号的频率、周期及两路同周期信号的相位差 1计数器频率周期相位测量原理. 1前级放大比较电路及其参数的设计在工程上有着重要的意义。其测量方法可分为模拟和数字方 1我们不妨设定输入信号为0O。 V m, .15 r s所选比较器的输 法两种：传统依靠模拟器件的方法，如二极管鉴相法、脉冲计. v故前级数法等，测量系统复杂、需专用器件、硬件成本高、而且精度入至少为13以上时其输出电压才会发生跳沿变化， ./.8 4时才能检测到0O V m的信号， .l r s设计不高。近年来，频率周期测量开始向数字化方向发展， P A放大至少为1302: 6如F G9足在 I技术，新发展出来的D P S器件等等。其优点在于硬件简单、适时电路两级放大4倍，以达到要求。设计时可以选取 T公

h 4 4宽带运算放大器，电路如图1所示，运算放大器该应性强而且精度明显高于一般的模拟式测量。当然，选定一司的t s 0 1套精确的算法是很重要的。F G内置计数器计数 PA

增益带宽积为15 H, 6 M z为电压反馈型，×1:0 H, 7 0 7 M z故该运

测量法是信号测量中常采用的手段，因为F G有很 PA高的时钟频率，以可以所采集到很高频率的信号。 在频率特性测试中，用利

F G内置的时钟在闸门时 PA间内对所采集到的信号进行上升沿捕获计数，而因比较器也可以选取 T公司的集成比较器 t3 1, I 1

16 可以得到在此闸门信号内被测信号出现的次数，是必须很放满足要求。但 0n。好地设计此闸门信号的长短及其出现时间，以降低因多记一该比较器的转换时间低至为1 s输入为 0O V m的正弦波，得到较理想的方波送至 .15 r s要次或少记一次带来的误差。里的被测信号可能是方波， 这也有I 黼融}纷￡ I暖

PA必设计时输入信号经过钳位电可能是正弦波。以先要对信号进行整波，所让信号以方波的形 F G,须经过前级放大电路。放大器放大、比较器延迟比较输出相应的方波。经过实际式进入F G信号输入口进行计数。 PA整波需要制作整波硬件电路、需在在每级输入输出前均加钳位电路，以便大小信号都路，将正弦波变成同频率的方波。而在大多数情况下，测信测试，被能得到很好的放大，否则在输出电压较大时由于运放本身的局限信号会有比较大的漂动。 数字频率计测频原理，图2示。设基准时钟信号的如所假

收稿日期： 000—1 21 51— .作者简介：李虎成， ( 8￣华中科技大学水电与数字化工男， 97, 1 12频率周期的测量原理程学院 20级本科生。 06

实验研究

周期为T (率为f )被测信号的周期为T, s频 s, w用被测信号控制输入两路信号a,和b经参数相同的整形电路变换为方波后， 测量计数器进行计数，当被测信号一个周期结束时，计数将两个方波进行异或 ( P A让在F G内完成)同时与测得的信号频，

器停止计数，计数器的计数值为N,被测信号的周期为率f由前面设计的F G频率计完成)若 x则 ( PA再异或，然后将得到的信T= x T钟频率的场合。 wN *s用这种方法测量时，测量精度与计数号经 I2分频，/f再将此信号作为闸门，并在其高电平时段利用器中记录的数值N有关。 x由于被测信号一个周期的时间长度高频时钟f进行计数， c最后在下降沿读出其计数值N则相位，为：h s=8。 N f。 P a e 10 */c该相位测量仪系统除整形电路外都由F G完成。 P A PA FG

内的计数时钟所使用的频率为l m z此系统的分辨率为 O h时，10/1. 16= 1木 1— ), 8。 (0 0) ( 8 0 5。

此分辨率已足够。 .

2软件实现系统接收用户输入的信号， P A由F G计数测频，晶显示其液频率、期。周当用户同时输入两路有相位差的信号时，统可 系盘I黼

测出相应的相位差，并在液晶上显示。软件设计了如4本图的菜单结构及友好提示界面。用户可通过输入接口输入具有不同频率，或有有相位差的两路信号，过滤波、大、经放过零比较生成方波，送至F G, P A P A F G对信号周期计数，与参考时钟进

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耀瑚妁囊酝辨《不一定正好为基准时钟信号周期的整数倍，因此计数器的计数值会产生±1个值的误差。 定闸门信号是由F G自身产生的高电平为1的方波信 PA S号，闸门信号内对被测信号的每个上升沿进行计数(当于在相对应的周期 )(们假定被测信号的频率在 11 M z,我 0 H的范围 ),

故可由F G提供频率为1 M z PA 0 H的标准时钟信号。在软件设计时取闸门信号为6 .%周期为16的方波信号。 25, . s对采集到的被测信号进行计数其值为N, 1同时对时钟计数为N, 2将此数据锁存送至单片机做除法N术o 0 0 O N即为被测信号频率。 110 0 0/ 2 相应计算可得到周期T。

1相位差的测量原理 . 3图3是一个数字式相位测量仪的系统工作示意图。图中

秘 4最缱钵攒行比较，出相应的频率周期值，相位差值。得或

整个程序用V r l g e io语言实现。

3系统调试及结果3 簟瀚溉磷躞F G使用的是A T R PA L E公司的C l n I系列 yo eI

5 4日圜目圆

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E25 288 eie PC Q 0 C d v c器件。该器件性价比高，能够完成常用的得到的单信号频率周期及两路有相差信号的相位差显示在液数字系统设诜可固化，用方便。 P A用 Q a t s I行设晶上。关数据见表 1使 FG使 u r u I进相。

讥采用模块拼接，在功能时序仿真正确后通过下载电缆下至 4结束语F G设计作为取代传统模 PA

拟电路设计的一种有效方法， 目前已越来越多地被广大电子工程师们所采用。本系统在完成频率周期测量的基础上，同样采用等精度法实现了双路信号的相位测量，个测

量功能模块完整全在一块 F G内部完成，大地 PA极

简化了外围逻辑电路，高了系提统的可靠性与测量精度。同时，嘲警髓豹糕

可将前级电路集成，再与单片机

处理模块和 F G一起综合成一 PA板子上进行硬件调试。使用信号源输入，并在线s g a t p i n l a仿个具有三项测量功能的仪器，以方便实际工程中的电子测量。 真。这样便于查错，调错。数据处理上，在采用S T 0 1 S 8 5单片机，

程序使用C语言进行编写，具有快速、代码易读易改等优点。 在K i C 1 e 5环境下完成程序仿真与调试， 1最终下至单片机进行总体调试。图5为测频 S g a t p线仿真图。lr u为 i n la在 O o t e F G内部自己产生的标准1 M z PA 0 H的信号测量结果如上显示为99 9 7 H;e t .9 9 0 M zt s—

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ot u为外部输入的191 k z 3 . H的信号， 而在

线仿真测得结果19 15 H, 3 .0 k z己相当接近真实值。将前级放版社，0 3 20.大整波电路与 F G及单片机整机连调，入正弦信号，测试 PA输将

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F G数据采集系统[]电子测 PA J.试技术，0 45:22 . 2 0 ()2—4[]夏宇闻 .e io数字 6 V r lg

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