1 引言
    頻率、周期、相位是交流信號(hào)的3大要素。一般情況下，分析交流信號(hào)需研究其頻率與相位，而周期可直接由頻率計(jì)算。對(duì)于正弦信號(hào)的頻率、相位測(cè)量準(zhǔn)確度的要求不斷提高，而隨著電子技術(shù)的發(fā)展，對(duì)其測(cè)量方法仍不斷改進(jìn)完善。較早采用直接頻率測(cè)量的測(cè)頻法，為了保證測(cè)試精度，一般低頻信號(hào)采用測(cè)周期法，而高頻信號(hào)采用測(cè)頻法，測(cè)量很不方便。而相位測(cè)量最初采用測(cè)量信號(hào)一個(gè)周期參數(shù)的方法，該方法精度適用于低頻，而高頻時(shí)誤差變大。該多功能計(jì)數(shù)器采用等精度測(cè)量法來(lái)測(cè)量信號(hào)頻率，同時(shí)采用基于單片機(jī)和FPGA的計(jì)數(shù)相位測(cè)量方法完成精確相位測(cè)量，并能在液晶顯示器實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前信號(hào)的頻率、周期和相位差。該計(jì)數(shù)器將正弦信號(hào)頻率和相位的測(cè)量于一體，精度高，實(shí)用性強(qiáng)。

2 方案設(shè)計(jì)論證
2．1 頻率測(cè)量
    等精度測(cè)量法的測(cè)量時(shí)間是人為設(shè)定的，閘門(mén)的開(kāi)啟和閉合由被測(cè)信號(hào)的上升沿來(lái)控制，測(cè)量精度與被測(cè)信號(hào)頻率無(wú)關(guān)，因而可以保證在整個(gè)測(cè)量頻段內(nèi)的測(cè)量精度保持不變。被測(cè)信號(hào)的計(jì)數(shù)是同步的，對(duì)于基準(zhǔn)信號(hào)來(lái)說(shuō)，存在±1的誤差，只要計(jì)數(shù)足夠大，可滿足高精度要求。
2．2 相位測(cè)量
    相差一時(shí)間測(cè)量法是將整形后的兩路方波送入FPGA，分別檢驗(yàn)出兩個(gè)信號(hào)的上升沿，通過(guò)FPGA內(nèi)部計(jì)數(shù)器在兩個(gè)信號(hào)的上升沿間對(duì)晶振進(jìn)行計(jì)數(shù)。在低頻段時(shí)，RC濾波電路的輸出波動(dòng)很大，該相位測(cè)量通過(guò)采用高頻率的計(jì)數(shù)脈沖，相位受信號(hào)頻率影響小，可實(shí)現(xiàn)較高的測(cè)量精度。

3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
    該系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)是由峰值檢波采樣、整形比較、寬帶通道放大、頻率測(cè)量、相位測(cè)量、顯示等模塊構(gòu)成。低頻比較器LM311對(duì)1 Hz到2 MHz的信號(hào)整形效果較好，高頻比較器TL3116對(duì)200 kHz以上的信號(hào)整形效果較好。為實(shí)現(xiàn)1 Hz到10 MHz信號(hào)的頻率測(cè)量，該系統(tǒng)以1為0．01～5 V的信號(hào)，應(yīng)將其經(jīng)峰值檢波、A／D轉(zhuǎn)換后選擇模擬開(kāi)關(guān)通道進(jìn)行程控放大，經(jīng)整形后測(cè)量，最后將測(cè)量結(jié)果送入顯示模塊圖1為該系統(tǒng)整體框圖。

3．1 程控放大電路
    程控放大分為3段，對(duì)0．01～50 mV的小信號(hào)放大100倍，50 mV～1 V的小信號(hào)放大10倍，1～5 V的信號(hào)不放大。選用8路模擬開(kāi)關(guān)MAX308，為了采集與實(shí)現(xiàn)毫伏級(jí)信號(hào)，必須使用寬帶放大電路進(jìn)行放大，故采用TI公司的OPA637寬帶運(yùn)放實(shí)現(xiàn) Gain=11及Gain=120的放大。圖2為OPA637增益為11倍的放大電路，增益為120的放大電路用2級(jí)OPA637級(jí)聯(lián)即可實(shí)現(xiàn)。

3．2 過(guò)零比較電路
    輸入信號(hào)送入LM311進(jìn)行滯回比較，可較好消除邊緣毛刺，實(shí)現(xiàn)低頻信號(hào)整形。 TL3116是高頻比較器，輸入信號(hào)送入TL3116滯回比較，獲得較為理想的高頻方波整形信號(hào)。故測(cè)頻時(shí)分兩段設(shè)計(jì)整形電路，整形電路將輸入的周期信號(hào)整形成同頻的方波輸入FPGA進(jìn)行測(cè)頻。圖3為L(zhǎng)M311滯回比較電路，TL3116外同電路與其相同。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    該系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分為測(cè)頻和測(cè)相兩部分。測(cè)頻時(shí)信號(hào)經(jīng)峰值檢波，A／D采樣后送入FPGA，選擇模擬開(kāi)關(guān)對(duì)不同幅度段的信號(hào)進(jìn)行程控放大。放大后的信號(hào)分別經(jīng)兩路比較器整形，然后送往FPGA內(nèi)分別計(jì)數(shù)，高頻時(shí)采用經(jīng)高頻比較器整形后的計(jì)數(shù)值，低頻時(shí)采用經(jīng)低頻比較器整形后的計(jì)數(shù)值，準(zhǔn)確測(cè)得信號(hào)頻率。測(cè)相則直接將經(jīng)低頻比較器整形后的信號(hào)送入FPGA計(jì)數(shù)可得。程序流程如圖4所示。

5 結(jié)束語(yǔ)
    正弦信號(hào)的頻率、周期和相位差測(cè)量的多功能計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)了對(duì)頻率1Hz～10 MHz、幅度0．01～5 Vrms的正弦信號(hào)精確測(cè)頻。其精度達(dá)到10-6Hz。同時(shí)，該計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)也實(shí)現(xiàn)頻率10 Hz～100 kHz、幅度0．5～5 Vrms的正弦信號(hào)精確測(cè)相，準(zhǔn)確度達(dá)到1°，并且能在液晶顯示器實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前信號(hào)的頻率、周期和相位差。該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，模塊化程度高，精度高，顯示界面友好，具有較強(qiáng)的可行性和實(shí)用性，具有良好的市場(chǎng)前景。