多功能計(jì)數(shù)器

　　摘要 ：本文設(shè)計(jì)了一種以超低功耗單片機(jī)MSP430F149為控制器，以高速的FPGA實(shí)現(xiàn)等精度測量正弦信號的頻率、周期和相位差的多功能計(jì)數(shù)器。在設(shè)計(jì)中依據(jù)等精度計(jì)數(shù)原理，應(yīng)用單片機(jī)的數(shù)學(xué)運(yùn)算和控制功能，利用f=1/T實(shí)現(xiàn)了頻率和周期的統(tǒng)一處理;采用相位-時(shí)間轉(zhuǎn)換方法，根據(jù)完成了相位差測量。此外，利用外加模擬通道，實(shí)現(xiàn)了對正弦波小信號的預(yù)處理，使得該計(jì)數(shù)器能夠在較寬的頻率范圍和幅度范圍內(nèi)進(jìn)行測量。

　　系統(tǒng)方案

　　方案1：采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。被測信號經(jīng)調(diào)理后送入單片機(jī)，利用其內(nèi)部的計(jì)數(shù)器完成計(jì)數(shù)，然后再進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和顯示，但單片機(jī)在處理高速信號時(shí)略顯吃力。

　　方案2：利用FPGA對調(diào)理后的被測信號實(shí)現(xiàn)高速計(jì)數(shù)，單片機(jī)軟件執(zhí)行高精度浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算并顯示。單片機(jī)完成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理、邏輯控制和人機(jī)交互功能;大規(guī)?，F(xiàn)場可編程器件(FPGA)實(shí)現(xiàn)外圍計(jì)數(shù)功能。電路框圖如圖1所示?！　?/p>

 

　　方案比較與選擇：方案1用外圍電路配合單片機(jī)實(shí)現(xiàn)測量功能，信號頻率比較高時(shí)需外加分頻電路，影響測量精度和系統(tǒng)穩(wěn)定性，且單片機(jī)任務(wù)繁重，給軟件設(shè)計(jì)和調(diào)試工作帶來不便;方案2用一片高度集成的可編程邏輯器件可完成有關(guān)電路所有模塊的設(shè)計(jì)，大大降低了電路復(fù)雜度，減少引線信號間的干擾，提高電路的可靠性和穩(wěn)定性。加上單片機(jī)控制，應(yīng)用單片機(jī)的數(shù)學(xué)運(yùn)算和控制功能，輔以有效的軟件濾波算法，能夠進(jìn)一步提高測量精度，且控制靈活、易于擴(kuò)展和調(diào)試簡單，能夠達(dá)到題目要求。故本設(shè)計(jì)采用方案2，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

　　理論分析與計(jì)算

　　頻率和周期測量方法分析

　　由于頻率和周期之間存在倒數(shù)關(guān)系(f=1/T)，所以只要測得兩者中的一個，另一個可通過計(jì)算求得。

　　(1)直接測量法：對測頻在低頻端1Hz時(shí)，若閘門時(shí)間為1s，其±1量化誤差大到100%。為了滿足測試精度的要求，顯然不能采用直接測量法;
　　(2)直接與間接測量相結(jié)合的方法：需對被測頻率和中界頻率的關(guān)系進(jìn)行判斷，在中界頻率附近仍不能達(dá)到較高的測量精度;
　　(3)等精度測量法：圖2為等精度測頻、測周原理方框圖。