一種新型低成本高精度數字頻率計制造技術

本發明專利技術公開了一種新型低成本高精度數字頻率計，它涉及數字頻率計技術領域。它是基于FPGA的數字頻率計，前端信號輸入調理采用寬帶放大器AD8099對微弱信號進行放大，經過高速比較器TLV3501整形后變成大小，波形都適合FPGA直接處理的信號；STM32單片機與FPGA之間依照時序的變化傳送控制、狀態，數據信息，CPU從FPGA讀取計數值，根據按鍵選擇模塊的設定，確定要測量的信號參數類型，再經過進一步運算處理，輸出到OLED顯示。本發明專利技術有益效果為：它測量頻率的方法采用等精度測量法，相比直接測頻法和測周法其精度更高，測量范圍更廣，能夠滿足1Hz到100MHz頻率范圍的要求，精度也高于0.01％，整個系統實時性好、靈活性高、功耗小、成本低。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及數字頻率計
，具體涉及一種新型低成本高精度數字頻率計。
技術介紹
頻率計主要由如下三部分組成：信號整形、信號參數測量、單片機控制及顯示。其中，信號參數測量又可細分為頻率/周期測量、時間間隔測量、占空比測量等模塊。目前，現有技術中常用信號放大整形模塊，一種是采用分立元件實現前置放大整形功能，用兩只三極管對信號放大后送入反相器整形，通過仿真發現當被測信號幅度較小，頻率較高時所得到的波形品質較差，而頻率超過50MHz時輸出信號完全無法滿足要求。另外，此方案需要大量采用分立元件，系統設計復雜，調試困難，尤其是增益的定量調節很難，而且穩定性差，容易自激震蕩也是該電路另外一個缺點；另一種采用AD811同比例放大電路放大小信號，大信號直接輸入比較器，由于AD811帶寬積太小放大高頻信號的時候衰減嚴重。同時，現有技術中也常用頻率/周期測量模塊，一種為時間門限測量法，包括直接頻率測量和直接周期測量，測頻法在頻率較低時誤差較大，而測周法在頻率較高時誤差較大；另一種是組合法，此種方案實施較麻煩，且測量精度不易提到很高。最后，現有單片機控制及顯示模塊存在以下幾點不足，STC89C52功耗較高，I/O口資源有限，處理速度較慢，液晶12864存在壽命短、屏幕尺寸較小等。
技術實現思路
本專利技術的目的在于針對現有技術的缺陷和不足，提供一種結構簡單、設計合理、使用方便的新型低成本高精度數字頻率計，它測量頻率的方法采用等精度測量法，相比直接測頻法和測周法其精度更高，測量范圍更廣，能夠滿足1Hz到100MHz頻率范圍的要求，精度也高于0.01％，整個系統實時性好、靈活性高、功耗小。為了解決
技術介紹
所存在的問題，本專利技術采用的技術方案為：它包括信號整形模塊、信號參數測量模塊、單片機控制及顯示模塊；所述的信號參數測量模塊又可細分為頻率/周期測量、時間間隔測量、占空比測量模塊。所述信號整形模塊采用AD8099同比例放大電路、遲滯比較器、輸入輸出阻抗匹配，這種放大電路的輸出信號雜波較多，放大器的輸出信號波形較粗，適當調節遲滯比較器的門限電壓可以有效抑制雜波對后級比較器的影響，這樣輸入信號為方波時信號的頻率以及有效值的范圍都比較寬，輸入信號為正弦波時也能滿足要求。所述頻率/周期測量模塊采用等精度測量方法，兩組計數器在相同的時間門限內同時計數，當閘門信號有效且待測信號的上升沿到來時開始計數，當閘門門限的下降沿到來，只有在待測信號的一個周期結束時兩組計數器才停止計數。所述單片機控制及顯示模塊采用STM32單片機，32位Cortex-M3CPU，顯示模塊采用OLED。前端信號輸入調理電路采用寬帶放大器AD8099對微弱信號進行放大，經過高速比較器TLV3501整形后變成大小、波形都適合FPGA直接處理的信號；STM32單片機與FPGA之間依照時序的變化傳送控制狀態、數據信息，CPU從FPGA讀取計數值，根據按鍵選擇模塊的設定，確定要測量的信號參數類型，包括頻率/周期、時間間隔、占空比等，再經過進一步運算處理，輸出到OLED顯示。采用上述結構后，本專利技術有益效果為：它測量頻率的方法采用等精度測量法，相比直接測頻法和測周法其精度更高，測量范圍更廣，能夠滿足1Hz到100MHz頻率范圍的要求，精度也高于0.01％，整個系統實時性好、靈活性高、功耗小。附圖說明圖1為本專利技術的系統總體框圖；圖2為本專利技術的信號整形框圖；圖3為本專利技術的信號測量框圖；圖4為本專利技術的單片機控制及顯示框圖。具體實施方式下面結合附圖，對本專利技術作進一步的說明。為了使本專利技術的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及具體實施方式，對本專利技術進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施方式僅用以解釋本專利技術，并不用于限定本專利技術。如圖1-圖4所示，本具體實施方式采用如下技術方案：它包括信號整形模塊、信號參數測量模塊、單片機控制及顯示模塊；所述的信號參數測量模塊又可細分為頻率/周期測量、時間間隔測量、占空比測量模塊。所述信號整形模塊采用AD8099同比例放大電路、遲滯比較器、輸入輸出阻抗匹配，這種放大電路的輸出信號雜波較多，放大器的輸出信號波形較粗，適當調節遲滯比較器的門限電壓可以有效抑制雜波對后級比較器的影響，這樣輸入信號為方波時信號的頻率以及有效值的范圍都比較寬，輸入信號為正弦波時也能滿足要求。所述頻率/周期測量模塊采用等精度測量方法，兩組計數器在相同的時間門限內同時計數，當閘門信號有效且待測信號的上升沿到來時開始計數，當閘門門限的下降沿到來，只有在待測信號的一個周期結束時兩組計數器才停止計數。這樣克服了待測信號的脈沖周期不完整的問題，其誤差只由標準頻率信號產生，與待測量信號的頻率無關，最大誤差為正負一個標準頻率周期，而標準信號采用的是10MHz，對應精度達到10-7,完全能夠達到要求精度。所述單片機控制及顯示模塊采用STM32單片機，32位Cortex-M3CPU，其具有低功耗模式，處理速度較快，I/O口較多，可方便實現與FPGA及外設的通信；顯示模塊采用OLED，其厚度，重量都要優于LED，且視角范圍大，發光效率高，能耗低，與此同時，LED相比較OLED而言還存在的缺點有色彩純度不夠、壽命較短、屏幕尺寸較小等。信號頻率/周期測量：無論被測信號是正弦波還是方波，經過整形電路后都變成可供FPGA直接處理的方波，運用方案論證中提及的等精度測量法，可獲得要求的1～100MHz信號的頻率/周期，選用10MHz方波作為標準信號，可使測量精度大大提高。同頻率方波時間間隔測量：經過處理進入FPGA的同頻方波信號，當其頻率較低時，將兩路同頻且存在時間間隔的方波進行異或運算，得到一個矩形波。為了提高測量精度，可比較一個周期內矩形波高電平和低電平持續時間，以對持續時間長的進行計時所得結果為準，則同頻信號時間間隔為計數值對應時間或者周期與對應時間的差；但若信號頻率很高繼續采用此方案，尤其是矩形波占空比接近50％時，由于間隔時間內基準信號計數個數很少，且計數產生的±1誤差是客觀存在的，所以想要達到要求的精度就得不斷提高標準信號的頻率。作為基準信號的方波要求之一即為穩定且波形規整，與此同時頻率愈高愈好。由于FPGA產生的方波最高頻率為400MHz，考慮測量誤差最大的情況，即矩形波占空比為50％時，想要達到1％的準確度，則在矩形波一個周期內基準信號的個數應不小于200，此時得出矩形波的最大頻率為2MHz，相應地，所測同頻率方波的最大頻率為1MHz，也就是說，當被測信號的頻率小于1MHz時，采用上述方案完全可以滿足精度要求。當被測信號的頻率大于1MHz時，為了保證測量準確度，可對異或所得矩形波1000分頻，分頻后所得一個周期內高電平的部分作為門控信號，用兩個計數器分別對門控信號有效情況下包含的矩形波中高電平和低電平，對應基準方波的個數計數，以持續時間長的為準計算時間。由于在每個矩形波周期內計數個數都存在±1的誤差，在極端情況下，總計數個數誤差為±1000，此時測量精度和不分頻是相同的，但出現這種情況的概率極小，而當矩形波每個周期計數產生的±1誤差由于符號相反得以部分相互抵消時，測量精度即可得到相應提高，譬如，若總計數個數誤差為200，那么分頻后的測量精度即5倍于不分頻情況，本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種新型低成本高精度數字頻率計，其特征在于包括信號整形模塊、信號參數測量模塊、單片機控制及顯示模塊；所述的信號參數測量模塊又可細分為頻率/周期測量、時間間隔測量、占空比測量模塊；所述信號整形模塊采用AD8099同比例放大電路、遲滯比較器、輸入輸出阻抗匹配；所述頻率/周期測量模塊采用等精度測量方法，兩組計數器在相同的時間門限內同時計數，當閘門信號有效且待測信號的上升沿到來時開始計數，當閘門門限的下降沿到來，只有在待測信號的一個周期結束時兩組計數器才停止計數；所述單片機控制及顯示模塊采用STM32單片機，32位Cortex?M3CPU，顯示模塊采用OLED。

【技術特征摘要】
1.一種新型低成本高精度數字頻率計，其特征在于包括信號整形模塊、信號參數測量模塊、單片機控制及顯示模塊；所述的信號參數測量模塊又可細分為頻率/周期測量、時間間隔測量、占空比測量模塊；所述信號整形模塊采用AD8099同比例放大電路、遲滯比較器、輸入輸出阻抗匹配；所述頻率/周期測量模塊采用等精度測量方法，兩組計數器在相同的時間門限內同時計數，當閘門信號有效且待測信號的上升沿到來時開始計數，當閘門門限的下降沿到來，只有在待測信號的一個周期結束時兩組計數器才停止計數；所述單片機控制及顯示模塊采用ST...

【專利技術屬性】
技術研發人員：付明，王麗芳，
申請(專利權)人：安徽財經大學，
類型：發明
國別省市：安徽;34