以單片機(jī)和 FPGA構(gòu)成的最小系統(tǒng)為控制核心，由寬帶放大模塊，比較整形模塊，頻率、相位差測量模塊等模塊構(gòu)成。在FPGA內(nèi)采用等精度測頻法測出頻率和周期，可實(shí)現(xiàn)對有效值為0.005V~5V，頻率范圍1Hz~35MHz 信號的頻率、周期的測量。用計(jì)數(shù)法測出相位差，可實(shí)現(xiàn)對有效值0.5V~5V，頻率10Hz~100KHz 信號的相位差測量。系統(tǒng)功能由按鍵控制，可對測量結(jié)果實(shí)時(shí)顯示，人機(jī)交互界面友好，達(dá)到了較好的性能指標(biāo)。

峰值檢波模塊

在進(jìn)入模擬開關(guān)之前，需要進(jìn)行峰值檢波，通過測得的信號的幅值確定模擬開關(guān)的通道。峰值檢波電路是由二極管電路和電壓跟隨器組成，其工作原理為：當(dāng)輸入電壓正半周通過時(shí)，檢波管D2導(dǎo)通，對電容C1充電，直到到達(dá)其峰值。三極管的基極由單片機(jī)控制，產(chǎn)生10us 的高電平使電容放電，以減少前一頻率測量對后一頻率測量的影響，提高幅值測量精度。其中D1處于常導(dǎo)通狀態(tài)，用以補(bǔ)償D2 上造成的壓降。電容C1 的取值需根據(jù)被測信號的頻率合適的選取，此電路中的二極管使用高頻二極管，可大大提高測量范圍的頻率上限。其電路圖如圖2.2 所示。

寬帶通道放大器分析

為了檢測有效值0.005V~ 5V的信號(即Vp_p 為0.014V~14V)的頻率，而高頻比較器TL3116能檢測到的輸入信號的最小幅度Vp_p=0.8V，因此需要對信號進(jìn)行程控放大。當(dāng)測得的信號峰峰值Vp_p小于0.1V 時(shí)，設(shè)定放大倍數(shù)為120，當(dāng)0.1V～1V 時(shí)設(shè)定放大倍數(shù)為10，當(dāng)Vp_p大于1V時(shí)，設(shè)定放大倍數(shù)為1。以MAX309為模擬開關(guān)，用OPA637接成一級同相放大器進(jìn)行10倍增益放大。用兩級OPA637級聯(lián)進(jìn)行120倍放大。其原理圖如圖2.3。

比較整形電路

在測頻、測周部分，由于我們沒有帶寬由1Hz 到35MHz 的比較器，所以采用分段處理的方法實(shí)現(xiàn)整個(gè)頻帶的測量，高頻部分用TI公司的TL3116實(shí)現(xiàn)，低頻部分采用LM311。為抑制干擾引起的誤翻轉(zhuǎn)，我們采取了帶正反饋的滯回比較電路的形式。

在反相輸入方式時(shí)，其正向閾值電壓，對應(yīng)比較后信號的下降沿。負(fù)向閾值電平為0V，對應(yīng)于比較后信號的上升沿。故輸出信號的上升沿仍屬過零比較。測相的兩路信號經(jīng)過整形，要使產(chǎn)生的額外相差最小，必須保證兩路通道參數(shù)的一致性，選用TI 公司的雙路比較器TLC372。

FPGA 模塊

本系統(tǒng)采用數(shù)字方法在FPGA 內(nèi)部進(jìn)行頻率和相位差的測量。其電路圖如圖2.6 所示。其中fx_h 和fx_l 分別為高頻信號和低頻信號輸入端。CH1 和CH2分別為兩路相位信號如數(shù)端。