一種帶時間間隔測量功能的數(shù)字頻率計的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及數(shù)字頻率計，尤其涉及一種帶時間間隔測量功能的數(shù)字頻率計。
【背景技術(shù)】
[0002]頻率計是測量儀器的一種最基本的測量儀器，常稱為電子計數(shù)器，它的基本功能是測量信號的頻率和周期，頻率計的應(yīng)用范圍很廣，它不僅應(yīng)用于一般的簡單儀器測量，而且還廣泛應(yīng)用于教學、科研、高精度儀器測量、工業(yè)控制等其它領(lǐng)域。傳統(tǒng)的頻率計產(chǎn)品很多，但基本上都是采用專用計數(shù)芯片和數(shù)字邏輯電路組成，由于這些芯片本身的工作頻率不高，從而限制了產(chǎn)品工作頻率的提高，遠不能滿足在一些特殊的場合需要測量很高的頻率的要求，而且測量精度也受到芯片本身極大的限制。
[0003]從80年代單片機引入我國至今，單片機已廣泛地應(yīng)用于電子設(shè)計中，使頻率計智能化水平在廣度和深度上產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍，數(shù)字化也成為了電子設(shè)計的必由之路。運用單片機和高速計數(shù)器的組合設(shè)計頻率計，并采用適當?shù)乃惴ㄈ〈鷤鹘y(tǒng)電路，不僅能克服傳統(tǒng)頻率計結(jié)構(gòu)復(fù)雜、穩(wěn)定性差、精度不高、功能單一的弊端，而且頻率計性能也將大幅提高，可實現(xiàn)精度較高、等精度、寬范圍和多功能頻率計的要求。
[0004]數(shù)字頻率計作為一種最基本的測量儀器。許多物理量，例如:溫度、壓力、流量、等通過傳感器轉(zhuǎn)換成信號頻率，可用數(shù)字頻率計來測量?？紤]到在原子物理、核工程、以及激光測距等方面都需要用到時間間隔測量技術(shù)。所以，需要設(shè)計一種帶時間間隔測量功能的數(shù)字頻率計。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為解決上述技術(shù)問題，本實用新型的目的是提供一種帶時間間隔測量功能的數(shù)字頻率計，該數(shù)字頻率計能夠達到足夠的精度，能夠測量較大的頻率范圍。
[0006]本實用新型的目的通過以下的技術(shù)方案來實現(xiàn):
[0007]—種帶時間間隔測量功能的數(shù)字頻率計，包括:FPGA測量模塊、MCU控制模塊、IXD和外部選擇開關(guān)；所述FPGA測量模塊于所述MCU控制模塊連接；所述MCU控制模塊分別與所述LCD和外部選擇開關(guān)連接。
[0008]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型的一個或多個實施例可以具有如下優(yōu)點:
[0009]1、測量精度較高，相對于一般頻率計來說該技術(shù)方案能達到10 6的測量精度；
[0010]2、等精度測量，由于利用FPGA采用區(qū)分頻段綜合計數(shù)的方法，因此該儀器能做到各頻段等精度測量，能用于測量誤差要求高的場合。
[0011]3、時間間隔測量，相對于傳統(tǒng)頻率計，增加了時間間隔測量功能。
[0012]4、占空比測量，具有對信號基本參數(shù)占空比的測量功能。
[0013]5、操作簡便，直接輸入待測信號，選擇按鍵即可顯示測量結(jié)果，毋需繁瑣的調(diào)整操作。
【附圖說明】
[0014]圖1是帶時間間隔測量功能的數(shù)字頻率計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015]圖2是數(shù)字頻率計信號前端處理電路圖；
[0016]圖3是FPGA測量模塊頻率測量結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖4是FPGA測量模塊頻率測量電路圖；
[0018]圖5是FPGA測量模塊實現(xiàn)時間間隔測量結(jié)構(gòu)圖；
[0019]圖6是FPGA測量模塊實現(xiàn)時間間隔測量電路圖；
[0020]圖7是FPGA測量模塊實現(xiàn)占空比測量功能結(jié)構(gòu)圖；
[0021]圖8是FPGA測量模塊實現(xiàn)占空比測量電路圖。
【具體實施方式】
[0022]為使本實用新型的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合實施例及附圖對本實用新型實施方式作進一步詳細的描述。
[0023]如圖1所示，為帶時間間隔測量功能的數(shù)字頻率計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，包括FPGA測量模塊、MCU控制模塊、LCD和外部選擇開關(guān)；所述FPGA測量模塊于所述MCU控制模塊連接；所述MCU控制模塊分別與所述LCD和外部選擇開關(guān)連接。
[0024]上述系統(tǒng)主要是將初始輸入信號經(jīng)整形后得到相應(yīng)的方波待測信號，將該方波信號通過FPGA電路模塊進行頻率、時間間隔和占空比的高精度測量，然后通過單片機控制接收FPGA的測量數(shù)據(jù)并對接收的數(shù)據(jù)進行處理，控制液晶屏進行顯示測量結(jié)果。
[0025]本實施例采用MCU+FPGA高精度測量模塊實現(xiàn)頻率測量，且?guī)в袝r間間隔測量和占空比測量，測量精度高，可對信號進行等精度測量，外圍電路結(jié)構(gòu)簡單，整體工作穩(wěn)定。其FPGA高精度測量模塊，易于實現(xiàn)結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計，通過調(diào)用各專用功能模塊完成頻率的等精度測量和時間間隔的測量功能。數(shù)字量采用多次讀入法、延時等措施避免I/O讀取出現(xiàn)錯誤，其數(shù)據(jù)的讀取更為準確，測量精度更高。MCU控制模塊對整個測量過程進行顯示和控制，使結(jié)果更為直觀。
[0026]考慮到測頻電路中的振蕩信號可能是一定頻率的正弦波，而微控制器中的計數(shù)器都只能檢測一定幅值的方波，因此，在頻率測試前，應(yīng)將初始信號進行處理。
[0027]本實施例為滿足輸入信號的幅值可以低至10mv，且頻率可以達到百兆赫茲，所以需要在MCU控制模塊中設(shè)置有高速比較器，該高速比較器采用高速比較器LT1715，LT1715的優(yōu)點:速度超快(20mv電壓驅(qū)動下邊沿上升時間為2ns)，高壓擺率，輸入輸出獨立電源供電，軌至軌輸出，兼容TTL/CMOS電平，自帶內(nèi)部滯回且可調(diào)。
[0028]圖2為信號前端處理的電路圖，考慮到信號完整性，匹配了 50歐姆阻抗。高頻信號經(jīng)過電容耦合進來，經(jīng)過RC到地，使得反相端沒有多余的雜波。而同相端經(jīng)過高通濾波器使信號源更干凈。而LT1715不需要配置引腳，自帶4mv的內(nèi)部滯回，使得不用外加滯回電壓。即使幅值很小時，也可以得出方波，而且邊沿上升快，沒有抖動，使后級測量數(shù)據(jù)更加準確。
[0029]FPGA測量模塊設(shè)計:
[0030]1、頻率測量功能:
[0031]設(shè)定相對誤差的絕對值為10 6，對1Hz?100MHz的信號進行頻率測量。
[0032](1)測1MHz?100MHz的高頻信號，采用直接測量法。
[0033]選擇基準信號1Hz作為周期性脈沖計數(shù)信號，若該基準信號在一個周期內(nèi)的計數(shù)為N，則所測信號頻率f = N，1MHz?100MHz高頻信號內(nèi)的最大相對誤差絕對值1/N的最大值為1/1000000，即相對誤差的絕對值達到10 6ο
[0034](2)測1Hz?1kHz的低頻信號，采用周期測量法。
[0035]將頻率相對較高(100M)的基準信號作為周期性脈沖計數(shù)信號，若該基準信號在待測信號一個周期內(nèi)的計數(shù)為N，則所測信號頻率f = 100M/N, 1Hz?1kHz高頻信號內(nèi)的最大相對誤差絕對值為1/1000000，即相對誤差的絕對值達到10 6ο
[0036](3)測1kHz?1MHz的中間頻段信號，先將該頻段信號1000倍分頻至1Hz?1kHz頻段，然后采用周期測量法。
[0037]綜上，通過FPGA編程實現(xiàn)了對頻率和周期的等精度測量。具體設(shè)計方案如圖3所示，其頻率測量電路如圖4所示。
[0038]2、時間間隔測量功能
[0039]鑒于傳統(tǒng)頻率計功能單一及時間間隔測量技術(shù)的重要性，本實施例中所述FPGA測量模塊包含時間間隔測量模塊、頻率測量模塊和占空比測量模塊；所述時間間隔測量模塊包含粗略測量單元和精確測量單元；所述粗略測量單元和精確測量單元相互連接。
[0040]采用插值法，將對任意時間間隔的測量劃分為粗略測量和精確測量兩部分。任意時間間隔τ可以表示成如下形式:Τ = Ν*Τρ+ Δ tl- Δ t2，其中，N.Tp是對時間間隔Τ的粗測，Λ tl 一Λ t2是對時間間隔的精確測量。
[0041]粗測量單元是對時間間隔覆蓋的參考頻率周期L的個數(shù)進行計數(shù)，即測量時間間隔表達式中N.Tp中的N。精測量單元:當時間間隔T小于參考頻率周期Tp時，精測量單元發(fā)出信號控制粗測量單元停止工作；同時，精測單元將每次測量的精測值發(fā)送校正與標定電路，用來對精測結(jié)果進行校正。精測量單元采用延遲線結(jié)構(gòu)實現(xiàn)時間間隔的精確測量。
[0042]綜上，用FPGA實現(xiàn)時間間隔測量功能的設(shè)計方案如圖5所示，其時間間隔測量電路如圖6所示。
[0043](3)占空比測量功能
[0044]占空比是指一個高電平在一個脈沖周期中所占的比例，是衡量一個脈沖信號的指標，該設(shè)計中采用的是直接脈寬測量:給一個時鐘信號對被測信號的高低電平進行計數(shù)分別記為nl和n2，得到被測方波信號的占空比即為nl/(nl+n2)。
[0045]綜上，用FPGA實現(xiàn)占空比測量功能的設(shè)計方案如圖7所示，其占空比測量電路如圖8所示。
[0046]雖然本實用新型所揭露的實施方式如上，但所述的內(nèi)容只是為了便于理解本實用新型而采用的實施方式，并非用以限定本實用新型。任何本實用新型所屬技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員，在不脫離本實用新型所揭露的精神和范圍的前提下，可以在實施的形式上及細節(jié)上作任何的修改與變化，但本實用新型的專利保護范圍，仍須以所附的權(quán)利要求書所界定的范圍為準。
【主權(quán)項】
1.一種帶時間間隔測量功能的數(shù)字頻率計，其特征在于，所述數(shù)字頻率計包括FPGA測量模塊、MCU控制模塊、LCD和外部選擇開關(guān)；所述FPGA測量模塊于所述MCU控制模塊連接；所述MCU控制模塊分別與所述LCD和外部選擇開關(guān)連接。2.如權(quán)利要求1所述的帶時間間隔測量功能的數(shù)字頻率計，其特征在于，所述MCU控制模塊中設(shè)置有高速比較器。3.如權(quán)利要求1所述的帶時間間隔測量功能的數(shù)字頻率計，其特征在于，所述FPGA測量模塊包含時間間隔測量模塊、頻率測量模塊和占空比測量模塊；所述時間間隔測量模塊包含粗略測量單元和精確測量單元。4.如權(quán)利要求3所述的帶時間間隔測量功能的數(shù)字頻率計，其特征在于，所述粗略測量單元和精確測量單元相互連接。
【專利摘要】本實用新型公開了一種帶時間間隔測量功能的數(shù)字頻率計，所述數(shù)字頻率計包括FPGA測量模塊、MCU控制模塊、LCD和外部選擇開關(guān)；所述FPGA測量模塊于所述MCU控制模塊連接；所述MCU控制模塊分別與所述LCD和外部選擇開關(guān)連接。本實用新型實現(xiàn)了測量精度較高、各頻段等精度測量、時間間隔測量、占空比測量、操作簡便，直接輸入待測信號，選擇按鍵即可顯示測量結(jié)果，毋需繁瑣的調(diào)整操作。
【IPC分類】G04F10/00, G01R23/02
【公開號】CN205091393
【申請?zhí)枴緾N201520857662
【發(fā)明人】寇含君, 丁葉, 楊靜, 曾國強, 魏世龍, 張開琪
【申請人】成都理工大學
【公開日】2016年3月16日
【申請日】2015年10月30日