一种基于fpga的频率测量装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种基于FPGA的频率测量装置，属于电子测量技术领域。
【背景技术】
[0002] 数字频率计是采用数字电路制做成的能实现对周期性变化信号频率测量的仪器。 频率计主要用于测量正弦波、矩形波等周期信号的频率值。其扩展功能可W测量信号的周 期和脉冲宽度。通常说的数字频率计是指电子计数式频率计。
[0003] 在电子技术领域，频率是一个最基本的参数。数字频率计作为一种最基本的测量 仪器W其测量精度高、速度快、操作简便、数字显示等特点被广泛应用。将数字频率计与微 处理器相结合，可实现测量仪器的多功能化、程控化和智能化，随着现代科技的发展，基于 数字式频率计组成的各种测量仪器、控制设备、实时监测系统已应用到国际民生的各个方 面。现有技术中，将数字频率计与微处理器相结合构成的装置，存在着硬件结构复杂、易受 干扰、稳定性低等缺陷。
【发明内容】
[0004] 针对现有技术存在的不足，本发明目的是提供一种基于FPGA的频率测量装置，本 发明降低了电路的复杂度，且不易受外界干扰，可精确测量正弦波的频率和矩形波的频率 f、周期T、占空比、时间间隔及相位差。
[0005] 为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
[0006] 本发明的一种基于FPGA的频率测量装置，包括整形电路和设置在FPGA内部的第一 测频模块、第二测频模块、第一脉冲测量模块、异或口、与异或口输出端相连接的第二脉冲 测量模块及MCU;所述第一测频模块与整形电路输出端相连接，所述第一测频模块、第二测 频模块、第一脉冲测量模块和第二脉冲测量模块的输出端均与MCU的输入端相连接;待测正 弦波信号，经过所述整形电路触发整形，形成同频率方波信号，并进入所述第一测频模块， 从而测得待测正弦波的频率;待测第一矩形波信号分成Ξ路信号，分别进入所述第二测频 模块、第一脉冲测量模块和异或口；进入所述第二测频模块时，用于测量第一矩形波信号的 待测信号频率f及待测信号周期T，进入所述第一脉冲测量模块时用于测量第一矩形波信号 的占空比；待测第二矩形波信号与待测第一矩形波信号的一路分信号进入所述异或口，用 于测量待测第一矩形波信号与待测第二矩形波信号的时间间隔，并结合第二测频模块测得 的待测信号频率f，即可计算出待测第一矩形波信号与待测第二矩形波信号的相位差，其 中，所述待测第二矩形波信号的频率与待测第一矩形波信号的频率相同。
[0007] 上述整形电路具体采用的是TLV3501整形电路。
[000引上述TLV3501整形电路包括滞回比较器电路，所述滞回比较器电路的供电方式为+ 5V单电压供电，其窗口电压为5000 X 1。()1品()(.)S %m.r。
[0009]上述第一测频模块及第二测频模块均包括D触发器和带使能端ΕΝΑ的第一计数器 及第二计数器;所述D触发器的q端连接到第一计数器及第二计数器的使能端ΕΝΑ上，所述D 触发器的d端连接闽口信号，elk端连接待测信号;根据D触发器的输出特性可知，在闽口信 号拉高后，待测信号的第一个上升沿到来时，q端才开始输出高电平，使能第一计数器、第二 计数器;所述第一计数器、第二计数器开始工作后，在闽口时间内同时对待测信号和时钟信 号进行计数，时钟信号计数值化除W待测信号计数值化乘上时钟周期T幡巾即为待测信号周期 T，对待测信号周期T求倒数即为待测信号的频率f。
[0010] 上述第一脉冲测量模块及第二脉冲测量模块均包括D触发器、带使能端ΕΝΑ及ENB 的第Ξ计数器和带使能端ΕΝΑ的第二计数器;所述D触发器的q端连接到第一计数器及第二 计数器的使能端ΕΝΑ上，所述D触发器的d端连接闽口信号，C化端连接待测信号，待测信号还 与第Ξ计数器的使能端ENB相连接，使得第Ξ计数器必须在待测信号处于高电平的情况下 才能正常工作，从而可W测量待测信号的脉冲宽度;第Ξ计数器及第四计数器开始工作后， 在闽口时间内同时对待测信号和时钟信号进行计数，时钟信号计数值化除W待测信号计数 值N4乘上时钟周期T帷柳为待测信号脉冲宽度了版憾S;将待测信号脉冲宽度了版憾g除W待测 信号周期T再乘W100%即为矩形波信号的占空比。
[0011] 测量待测第一矩形波信号与待测第二矩形波信号的时间间隔和相位差时，待测第 一矩形波信号分成两路，一路直接进入第二测频模块，得到待测信号的频率f，另一路和第 二矩形波信号进入异或口，所述异或口连接到第二脉冲测量模块，测到正脉冲周期宽度 T履03帅，T履細?帅即为待测第一矩形波信号与待测第二矩形波信号的时间间隔，将时间间隔 乘W第二测频模块测得的待测信号频率f再乘W360°即可求到两路信号的相位差。
[0012] 本发明与现有技术相比，其显著优点是在于：
[001引（1)频率现慢时，每个测频模块，包括两个计数器和一个D触发器，D触发器的应用 使得闽口信号与待测信号同步，相比于传统方案，避免了对被测信号计数时产生的±1误 差。在闽口时间为Is的情况下，最低测量频率可达IHz;
[0014] (2)可精确测量带小数的频率值，如1. IHz;
[0015] (3)测量两路矩形波信号的相位差、时间间隔时，系统对两路信号做异或运算，将 两路信号的时间间隔W高电平的形式体现在异或口的输出信号中，随后根据计数器的计数 得出时间间隔，该方法简单高效；
[0016] (4 )FPGA采用50M晶振，经过倍频，使得最高测量频率可达到1 OOMHz;
[0017] (5)可精确测量IHz-lOOMHz正弦波信号的频率和周期，测量误差不超过万分之一； 可精确测量lOOHz-lMHz矩形波信号的频率、占空比和时间间隔等参数，频率测量误差不超 过万分之一，占空比和时间间隔的测量误差不超过百分之一；
[0018] (6)闽口信号默认为1秒，所有参数测量的响应时间不超过1.1秒；
[0019] (7)频率计只有Ξ个信号输入接口，在不需人为切换通道的前提下，不但可W同时 测量低频和高频信号，也可同时测试多个频率参数。
[0020] (8)数字电路与处理器模块全部搭建在FPGA中，使得装置硬件结构简单、体积小， 稳定性高。
【附图说明】
[0021 ]图1是本发明的频率测量装置原理框图；
[0022] 图2是本发明的TLV3501整形电路图；
[0023] 图3是本发明的第一测频模块和第二测频模块结构示意图；
[0024] 图4是本发明的第一脉冲测量模块和第二脉冲测量模块示意图；
[0025] 图5是本发明的频率测量功能示意图；
[0026] 图6是本发明的矩形波占空比测量功能示意图；
[0027] 图7是本发明的矩形波时间间隔、相位差测量功能示意图。
【具体实施方式】
[0028] 为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合
【具体实施方式】，进一步阐述本发明。
[0029] 参见图1，基于FPGA(片内单片机）的数字频率计，包括化V3501整形电路和设置在 FPGA片内的测频模块(测频模块1、测频模块2)、脉冲测量模块(脉冲测量模块1、脉冲测量模 块2)、异或口及MCU。
[0030] 待测正弦波信号，经过整形电路触发整形，形成同频率方波信号，进入测频模块1， 从而测得待测正弦波的频率。待测矩形波1分Ξ路，分别进入测频模块2、脉冲测量模块1和 异或口。待测矩形波2与待测矩形波1的一路分信号进入异或口，异或口输出端连接到脉冲 测量模块2。
[0031] 本发明测量系统包括Ξ个信号输入通道:正弦波信号通道、矩形波信号1通道和矩 形波信号2通道。测量时，正弦波从正弦波信号通道进入;测量矩形波信号的频率、周期和占 空比等参数时，矩形波信号从矩形波信号1通道进入;测量两路同频矩形波信号的时间间隔 时，两路信号分别从矩形波信号1通道和矩形波信号2通道进入。
[0032] 对上述各模块的具体描述如下：
[0033] TLV3501整形电路，待测的正弦波形，进入如图2所示的滞回比较器电路经过触发 整形，形成同频方波。比较器化V3501的供电方式为巧V单电压供电，所W该电路的窗口电 压，
旧比过零比较器方案，可有效