多功能计数器

　　摘要 ：本文设计了一种以超低功耗单片机MSP430F149为控制器，以高速的FPGA实现等精度测量正弦信号的频率、周期和相位差的多功能计数器。在设计中依据等精度计数原理，应用单片机的数学运算和控制功能，利用f=1/T实现了频率和周期的统一处理;采用相位-时间转换方法，根据完成了相位差测量。此外，利用外加模拟通道，实现了对正弦波小信号的预处理，使得该计数器能够在较宽的频率范围和幅度范围内进行测量。

　　系统方案

　　方案1：采用单片机实现。被测信号经调理后送入单片机，利用其内部的计数器完成计数，然后再进行数据处理和显示，但单片机在处理高速信号时略显吃力。

　　方案2：利用FPGA对调理后的被测信号实现高速计数，单片机软件执行高精度浮点数运算并显示。单片机完成系统的数据处理、逻辑控制和人机交互功能;大规模现场可编程器件(FPGA)实现外围计数功能。电路框图如图1所示。　　

 

　　方案比较与选择：方案1用外围电路配合单片机实现测量功能，信号频率比较高时需外加分频电路，影响测量精度和系统稳定性，且单片机任务繁重，给软件设计和调试工作带来不便;方案2用一片高度集成的可编程逻辑器件可完成有关电路所有模块的设计，大大降低了电路复杂度，减少引线信号间的干扰，提高电路的可靠性和稳定性。加上单片机控制，应用单片机的数学运算和控制功能，辅以有效的软件滤波算法，能够进一步提高测量精度，且控制灵活、易于扩展和调试简单，能够达到题目要求。故本设计采用方案2，系统框图如图1所示。

　　理论分析与计算

　　频率和周期测量方法分析

　　由于频率和周期之间存在倒数关系(f=1/T)，所以只要测得两者中的一个，另一个可通过计算求得。

　　(1)直接测量法：对测频在低频端1Hz时，若闸门时间为1s，其±1量化误差大到100%。为了满足测试精度的要求，显然不能采用直接测量法;
　　(2)直接与间接测量相结合的方法：需对被测频率和中界频率的关系进行判断，在中界频率附近仍不能达到较高的测量精度;
　　(3)等精度测量法：图2为等精度测频、测周原理方框图。