多通道高精度同步測頻裝置的製作方法

2023-05-29 22:53:31

專利名稱：多通道高精度同步測頻裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於電子與信息技術領域，涉及一種多通道高精度同步測頻裝置。
背景技術：
高精度多路頻率測量方式廣泛用於計量、科研、教學、航空航天、工業控制、軍事等 諸多領域。以往的測頻方式，多採用硬體模擬電路，通過比較待測信號與標準信號過零點時 間差的方式獲取待測信號的頻率，這種方式依賴於模擬電路的實現精度，然而在實際的應 用過程中由於電路本身的幹擾和來自外界的各種噪聲將嚴重影響系統頻率測量的精度，因 此在對測頻精度要求較高的今天，這種基於模擬測試電路的方式顯然不能滿足應用。隨著 數字電路的發展，在測頻領域提出了用專用的ASIC晶片進行測量的方式，這種方法測頻的 精度比較高，然而在進行多路信號的同步測量時卻因為其設計因素很難做到同步測量，且 用戶不能直接進行控制，需要另加微處理晶片才可以進行。

發明內容本實用新型的目的是提供一種多通道高精度同步測頻裝置，解決了現有技術中在 進行多路信號的同步測量時卻因為其設計因素很難做到同步測量，且用戶不能直接進行控 制，需要另加微處理晶片才可以進行的問題。 本實用新型所採用的技術方案是，一種多通道高精度同步測頻裝置，包括輸入部 分、控制部分及輸出部分， 所述的控制部分的主體由FPGA和測量時基電路構成，FPGA中包括有內嵌的DSP、
內嵌的MicroBlaze、頻率同步採集邏輯、時鐘相位同步採集控制邏輯以及通訊接口連接組
成，測量時基電路由GPS同步時鐘和晶振構成，晶振通過存儲模塊與電源模塊連接； 所述的輸入部分包括同時採集輸入的頻率信號和溫度信號，頻率信號直接與內嵌
DSP連接，溫度信號通過AD轉換器與控制部分的FPGA連接； 所述的輸出部分包括分別與通訊接口連接的USB和串行通信接口。 本實用新型的多通道高精度同步測頻裝置，其特徵還在於 所述的頻率信號、溫度信號以及電源模塊均採用標準DB25物理接口接入或接出。 本實用新型的有益效果是，可以對多個通道的頻率信號進行長期、同步、高精度測 量(1X10—9)，且最終用戶可以直接選擇測試通道、頻率測量值的紀錄大小等信息。

圖1是本實用新型測頻裝置的結構示意圖； 圖2是本實用新型測頻裝置的閘門同步測量工作原理示意圖。 圖中，1.FPGA，2. DSP，3.MicroBlaze，4.頻率同步採集邏輯，5.時鐘相位同步採集
控制邏輯，6.通訊接口，7.USB，8.串行通信接口，9.GPS同步時鐘，IO.晶振，ll.存儲模塊，
12.電源模塊，13.頻率信號，14.溫度信號，15.AD轉換器。
具體實施方式
以下結合附圖和具體實施方式
對本實用新型進行詳細說明。 如圖l，本實用新型測頻裝置的結構是，包括三部分輸入部分、控制部分及輸出 部分。所述的控制部分的主體由FPGA1和測量時基電路構成，FPGA1中包括有內嵌DSP2、內 嵌MicroBlaze3、頻率同步採集邏輯4、時鐘相位同步採集控制邏輯5以及通訊接口 6連接 組成，測量時基電路由GPS同步時鐘9和晶振10構成，晶振10通過存儲模塊11與電源模 塊12連接；所述的輸入部分包括同時採集輸入的頻率信號13和溫度信號14，頻率信號13 直接與內嵌DSP2連接，溫度信號14通過AD轉換器15與控制部分的FPGA1連接；所述的輸 出部分包括分別與通訊接口 6連接的USB7和串行通信接口 8。 上述硬體電路中的輸入輸出接口 (9路頻率信號13的輸入、3路溫度信號14的電 流輸入以及電路供電的電源模塊12)均採用標準DB25物理接口接入或接出電路板。USB接 口和GPS同步時鐘9的天線接口單獨引出。 本實用新型利用Xilinx FPGA技術，利用其內嵌DSP2、內嵌MicroBlaze3處理器、 高精度的頻率同步採集邏輯4及時鐘相位同步採集控制邏輯5來完成多路頻率信號的同步 時鐘相位同步採集控制邏輯5負責為FPGA1的工作提供高精度低抖動的時鐘 源。頻率採集模塊按照從串行通訊接口中收到的配置命令對頻率信號進行同步採集，並 按照改進的閘門同步測量方法測量頻率，然後將測量值交與DSP模塊進行濾波，最後通過 MicroBlaze輸出到外部。測量精度由改進型閘門同步測量算法和基於GPS校正的高精度時 鍾信號保證。 測試系統的邏輯控制核心是FPGA，其中包含有嵌入式的DSP、嵌入式的 MicroBlaze核、時鐘相位同步採集控制邏輯以及高精度的頻率同步採集邏輯。FPGA內部的 嵌入式的DSP模塊將主要用於對由溫度傳感器測量得來的溫度信號進行計算，從而能夠快 速而精準的達到任務書中所提要求。MicroBlaze是Xilinx公司推出的一款嵌入式內核，時 鍾可達到150MHz，佔用資源不到1000個Slice,負責與外界的交互。時鐘相位同步採集控 制邏輯負責為FPGA的工作提供高精度低抖動的時鐘源。 本實用新型在硬體結構中改變以往嵌入式系統中常用的FPGA+CPU的方式，直接 用單個FPGA去完成控制算法以及輸入輸出功能。 本實用新型適用的溫度範圍較寬，頻率測量的精度要求高，一般的測量方法已經 不能滿足設計要求，要保證頻率測量的圓滿，除了前述優良的測量方法而外，還必須具有能 夠在全溫度範圍工作且擁有良好長期穩定性與短期穩定性的晶振為系統提供測量時基，這 是本實用新型完成高質量測量的關鍵所在。 晶振10的工作性能受制於兩個基本因素。 一個是環境溫度的影響，它使得晶振的 輸出頻率隨溫度變快或變慢，針對這個因素，本實用新型選取了溫補晶振，從而滿足技術要 求。另一個是晶振輸出隨時間漂移的特性的影響，也就是長穩。本實用新型提出利用GPS 的時基技術對本地晶振的輸出頻率以及輸出相位提供實時調整，使其能夠滿足任務對系統 長穩的需要。 如圖2，本實用新型裝置測量的具體方法為已知閘門寬度以及閘門對應的標準
4時鐘數(N。)，測量在閘門內被測頻率的上、下沿個數(Nx)、閘門開啟至被測頻率第一個有 效沿的時鐘比值(NJ、閘門關閉至被測頻率最後一個有效沿的時鐘比值(NJ，則被測頻率 ，+ + 標準頻率 使用本實用新型裝置進行測量時，特點有1)、測量完全與閘門同步；採用兩個時 序相反的閘門共同進行測量，當一個閘門工作在採樣時間時，另一個閘門則處於計算時間， 這樣做的好處是增大了閘門的有效工作時間，從而提高了頻率測量的逼近程度；2)、閘門的 開啟與關閉完全與時鐘同步，通過FPGA內部的延遲線的緊密安排，可以避免計數器的觸發 誤差；3)、測量精度取決於標準時鐘的精度以及計數器的工作頻率，誤差等於1/2個時鐘周 期，因此非常方便控制精度。 現有的FPGA能夠實現60腿z左右的計數器工作頻率，而本實用新型裝置通 過犧牲FPGA資源可實現200腿z左右的計數器工作頻率，如果採用內插方式還可實現
400MHz的等效計數器工作頻率。在不考慮標準信號頻率誤差的條件下在r-^^S的
條件下S " 2. 1X10—s，考慮到其他誤差可做到S《1X10—4。在t 二10S的條件下 S "2. 1X10—"，考慮到其他誤差可做到S《1X10—9(不含標準信號頻率誤差)。
權利要求一種多通道高精度同步測頻裝置，其特徵在於包括輸入部分、控制部分及輸出部分，所述的控制部分的主體由FPGA(1)和測量時基電路構成，FPGA(1)中包括有內嵌的DSP(2)、內嵌的MicroBlaze(3)、頻率同步採集邏輯(4)、時鐘相位同步採集控制邏輯(5)以及通訊接口(6)連接組成，測量時基電路由GPS同步時鐘(9)和晶振(10)構成，晶振(10)通過存儲模塊(11)與電源模塊(12)連接；所述的輸入部分包括同時採集輸入的頻率信號(13)和溫度信號(14)，頻率信號(13)直接與內嵌DSP(2)連接，溫度信號(14)通過AD轉換器(15)與控制部分的FPGA(1)連接；所述的輸出部分包括分別與通訊接口(6)連接的USB(7)和串行通信接口(8)。
2. 根據權利要求1所述的多通道高精度同步測頻裝置，其特徵在於所述的頻率信號 (13)、溫度信號(14)以及電源模塊(12)均採用標準DB25物理接口接入或接出。
專利摘要本實用新型公開了一種多通道高精度同步測頻裝置，包括輸入部分、控制部分及輸出部分，所述的控制部分的主體由FPGA和測量時基電路構成，FPGA中包括有內嵌的DSP、內嵌的MicroBlaze、頻率同步採集邏輯、時鐘相位同步採集控制邏輯以及通訊接口連接組成，測量時基電路由GPS同步時鐘和晶振構成，晶振通過存儲模塊與電源模塊連接；所述的輸入部分包括同時採集輸入的頻率信號和溫度信號，頻率信號直接與內嵌DSP連接，溫度信號通過AD轉換器與控制部分的FPGA連接；所述的輸出部分包括分別與通訊接口連接的USB和串行通信接口。本實用新型的有益效果是，可以對多個通道的頻率信號進行長期、同步、高精度測量，且最終用戶可以直接選擇測試通道、頻率測量值的紀錄大小等信息。
文檔編號G01R23/02GK201540331SQ20092003511
公開日2010年8月4日 申請日期2009年10月20日 優先權日2009年10月20日
發明者陳靜 申請人:西安瑞日電子發展有限公司