一種多功能高精度數字頻率計的製作方法
2023-05-29 22:56:41
專利名稱：一種多功能高精度數字頻率計的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於信號檢測技術領域，具體涉及一種多功能高精度數字頻率計。
背景技術：
頻率測量 是現代電子測量技術中最基本最常見的測量之一，在郵電通信、交通運輸、科學研究等方面有著廣泛的應用。不少物理量的測量，如轉速、振動頻率等的測量都涉及到或可以轉化為頻率的測量。而在電子工程、資源勘探、儀器儀表等相關應用中，頻率計則是工程技術人員必不可少的測量工具。目前市場上有各種多功能、高精度、高頻率的數字頻率計，但都價格不菲。傳統的數字頻率計基於單片機與分立元件，體積大，功耗高，穩定度低。近年出現了以FPGA(現場可編程門陣列)與單片機為核心的數字頻率計。FPGA的出現是超大規模集成電路技術和計算機輔助技術發展的結果，FPGA器件集成度高、體積小，具有通過用戶編程實現專門應用的功能，它允許電路設計者基於計算機平臺，經過設計輸入、仿真、測試和校驗，直到達到預期的結果。但該類數字頻率計電路結構連接較為複雜，且功能較為單一，往往只具有測量頻率的功能，並沒有有效利用資源。
發明內容針對現有技術所存在的上述技術缺陷，本實用新型提供了一種多功能高精度數字頻率計，頻率測量精度高，且功耗低，功能多樣。一種多功能高精度數字頻率計，包括一閘門產生模塊、一鑑相器、一寄存器、一運算器、兩個多路選擇器、三個計數器和一顯示器；其中鑑相器的第一輸入端與第一多路選擇器的第一輸入端相連並接收第一待測信號，鑑相器的第二輸入端接收第二待測信號，鑑相器的輸出端與第一多路選擇器的第二輸入端相連，第一多路選擇器的控制端接收給定的第一控制信號，第一多路選擇器的輸出端與閘門產生模塊的第一輸入端、第三計數器的時鐘端、第二計數器的第一使能端相連，第一計數器的時鐘端和第二計數器的時鐘端均接收給定的標準信號，閘門產生模塊的第二輸入端接收給定的時鐘信號，閘門產生模塊的輸出端與第一計數器的使能端、第二計數器的第二使能端和第三計數器的使能端相連，第二多路選擇器的第一輸入端、第二輸入端、第三輸入端和第四輸入端分別與第一計數器的輸出端、第二計數器的輸出端、第三計數器的輸出端和寄存器的輸出端相連，第二多路選擇器的第一輸出端、第二輸出端和第三輸出端分別與運算器的第一輸入端、第二輸入端和第三輸入端相連，第二多路選擇器的控制端接收給定的第二控制信號，運算器的輸出端與顯示器的輸入端相連。所述的鑑相器由兩個JK觸發器和一與門構成；其中第一 JK觸發器的時鐘端為鑑相器的第一輸入端，第二 JK觸發器的時鐘端為鑑相器的第二輸入端，第一 JK觸發器的J端與第二 JK觸發器的G端相連，第二 JK觸發器的K端與第一 JK觸發器的G端相連，第一JK觸發器的K端與第二 JK觸發器的Q端和與門的第二輸入端相連，第二 JK觸發器的J端與第一 JK觸發器的Q端和與門的第一輸入端相連，與門的輸出端為鑑相器的輸出端。[0008]所述的閘門產生模塊由一分頻器和一 D觸發器構成；其中分頻器的時鐘端為閘門產生模塊的第二輸入端，分頻器的輸出端與D觸發器的D端相連，D觸發器的時鐘端為閘門產生模塊的第一輸入端，D觸發器的Q端為閘門產生模塊的輸出端。所述的運算器由一乘法器和一除法器構成；其中乘法器的第一輸入端為運算器的第一輸入端，乘法器的第二輸入端為運算器的第二輸入端，除法器的除端為運算器的第三輸入端，乘法器的輸出端與除法器的被除端相連，除法器的輸出端為運算器的輸出端。本實用新型的有益效果為(I)功能多；除可測量信號的頻率外，還可測量信號的佔空比、周期、脈衝寬度，以及測量兩個信號間的相位差。(2)精度高；測量頻率在量程範圍內保持測量誤差恆定，小於0.0001% ;其他測量功能誤差小於0. 1%。(3)體積小；除顯示器等外，核心電路可全部在一塊晶片上實現，體積小巧，便於攜帶。(4)功耗低；耗電量小，節能節電。
圖I為本實用新型的結構原理示意圖。圖2為鑑相器的結構示意圖。圖3為鑑相器的工作時序示意圖。圖4為閘門產生模塊的結構示意圖。圖5為運算器的結構示意圖。
具體實施方式
為了更為具體地描述本實用新型，
以下結合附圖及具體實施方式
對本實用新型的技術方案及其相關原理進行詳細說明。如圖I所示，一種多功能高精度數字頻率計，包括一閘門產生模塊、一鑑相器、一寄存器、一運算器、兩個多路選擇器、三個計數器和一顯示器；其中鑑相器的第一輸入端與第一多路選擇器的第一輸入端相連並接收第一待測信號， 鑑相器的第二輸入端接收第二待測信號，鑑相器的輸出端與第一多路選擇器的第二輸入端相連，第一多路選擇器的控制端接收給定的第一控制信號，第一多路選擇器的輸出端與閘門產生模塊的第一輸入端、第三計數器的時鐘端、第二計數器的第一使能端相連，第一計數器的時鐘端和第二計數器的時鐘端均接收給定的標準信號，閘門產生模塊的第二輸入端接收給定的時鐘信號，閘門產生模塊的輸出端與第一計數器的使能端、第二計數器的第二使能端和第三計數器的使能端相連，第二多路選擇器的第一輸入端、第二輸入端、第三輸入端和第四輸入端分別與第一計數器的輸出端、第二計數器的輸出端、第三計數器的輸出端和寄存器的輸出端相連，第二多路選擇器的第一輸出端、第二輸出端和第三輸出端分別與運算器的第一輸入端、第二輸入端和第三輸入端相連，第二多路選擇器的控制端接收給定的第二控制信號，運算器的輸出端與顯示器的輸入端相連。[0023]本實施例中，時鐘信號為頻率為50MHz的脈衝信號，標準信號為頻率為IOOMHz的脈衝信號。如圖2所示，鑑相器由兩個JK觸發器和一與門構成；其中第一 JK觸發器的時鐘端為鑑相器的第一輸入端，第二 JK觸發器的時鐘端為鑑相器的第二輸入端，第一 JK觸發器的J端與第二 JK觸發器的0端相連，第二 JK觸發器的K端與第一 JK觸發器的0端相連， 第一 JK觸發器的K端與第二 JK觸發器的Q端和與門的第二輸入端相連，第二 JK觸發器的 J端與第一 JK觸發器的Q端和與門的第一輸入端相連,與門的輸出端為鑑相器的輸出端。如圖4所示，閘門產生模塊由一分頻器和一 D觸發器構成；其中分頻器的時鐘端為閘門產生模塊的第二輸入端，分頻器的輸出端與D觸發器的D端相連，D觸發器的時鐘端為閘門產生模塊的第一輸入端，D觸發器的Q端為閘門產生模塊的輸出端；本實施例中的分頻器為4個100分頻的子分頻器級聯而成，100分頻的子分頻器由一個8位計數器構成，從 0開始計數，當計到99後，便清零，重新計數。如圖5所示，運算器由一乘法器和一除法器構成；其中乘法器的第一輸入端為運算器的第一輸入端，乘法器的第二輸入端為運算器的第二輸入端，除法器的除端為運算器的第三輸入端，乘法器的輸出端與除法器的被除端相連，除法器的輸出端為運算器的輸出端；本實施例中的乘法器為32位乘32位的乘法器，除法器為64位除32位的除法器。本實施例中，寄存器內存儲有四個常數值，分別為標準信號的頻率50MHz，標準信號的周期1/50MHZ，常數100和720，故寄存器的輸出端具有四個輸出埠 ；第一計數器和第三計數器均為32位帶一個使能端的計數器；第二計數器為32位帶兩個使能端的計數器，只有在兩個使能端信號都是高電平時才開始計數；第一多路選擇器為2選I的選擇器；第二多路選擇器為7選3的選擇器。本實施例中多路選擇器對於不同測量目標對應的選擇輸出如表I所示表I
測量目標第一多路選擇器第二多路選擇器~第二多路選擇器^~第二多路選擇器~
__輸出__第一輸出__第二輸出__第三輸出_
頻率第一待測信號 _ 5OMHz —第三計數器輸出信號第一計數器輸出信號
佔空疋~ 第一待測信號100'第二計數器輸出信號第一計數器輸出信號—
相位差鑑相器輸出信號—720 _第二計數器輸出信號第一計數器輸出信號第一待測信號l/50MHz第一計數器輸出信號第三計數器輸出信號
脈寬第一待測信號1/50MHZ第二計數器輸出信號第三計數器輸出信號本實施例數字頻率計的測量原理為對於頻率測量設標準信號頻率與第一待測信號頻率分別為fb與ft，實際閘門關閉後，第一計數器和第三計數器的計數分別為Nb與Nt，那麼第一待測信號的頻率可表達為ft —( I )對式I等號兩邊取對數後求導，可得
Aft Afb AWt ANb(,
_6] T = TT +萬-萬(2)[0037]在測量中，由於對第一待測信號計數的起停時間都是由該信號的上升沿觸發的， 故在閘門時間內對第一待測信號的計數Nt無誤差，故式2可改寫為
權利要求1.一種多功能高精度數字頻率計，其特徵在於，包括一閘門產生模塊、一鑑相器、一寄存器、一運算器、兩個多路選擇器、三個計數器和一顯示器； 其中，鑑相器的第一輸入端與第一多路選擇器的第一輸入端相連並接收第一待測信號，鑑相器的第二輸入端接收第二待測信號，鑑相器的輸出端與第一多路選擇器的第二輸入端相連，第一多路選擇器的控制端接收給定的第一控制信號，第一多路選擇器的輸出端與閘門產生模塊的第一輸入端、第三計數器的時鐘端、第二計數器的第一使能端相連，第一計數器的時鐘端和第二計數器的時鐘端均接收給定的標準信號，閘門產生模塊的第二輸入端接收給定的時鐘信號，閘門產生模塊的輸出端與第一計數器的使能端、第二計數器的第二使能端和第三計數器的使能端相連，第二多路選擇器的第一輸入端、第二輸入端、第三輸入端和第四輸入端分別與第一計數器的輸出端、第二計數器的輸出端、第三計數器的輸出端和寄存器的輸出端相連，第二多路選擇器的第一輸出端、第二輸出端和第三輸出端分別與運算器的第一輸入端、第二輸入端和第三輸入端相連，第二多路選擇器的控制端接收給定的第二控制信號，運算器的輸出端與顯示器的輸入端相連。
2.根據權利要求I所述的多功能高精度數字頻率計，其特徵在於所述的鑑相器由兩個JK觸發器和一與門構成；其中第一 JK觸發器的時鐘端為鑑相器的第一輸入端,第二 JK觸發器的時鐘端為鑑相器的第二輸入端，第一 JK觸發器的J端與第二 JK觸發器的^端相連，第二 JK觸發器的K端與第一 JK觸發器的^端相連，第一 JK觸發器的K端與第二 JK觸發器的Q端和與門的第二輸入端相連，第二 JK觸發器的J端與第一 JK觸發器的Q端和與門的第一輸入端相連，與門的輸出端為鑑相器的輸出端。
3.根據權利要求I所述的多功能高精度數字頻率計，其特徵在於所述的閘門產生模塊由一分頻器和一D觸發器構成；其中分頻器的時鐘端為閘門產生模塊的第二輸入端，分頻器的輸出端與D觸發器的D端相連，D觸發器的時鐘端為閘門產生模塊的第一輸入端，D觸發器的Q端為閘門產生模塊的輸出端。
4.根據權利要求I所述的多功能高精度數字頻率計，其特徵在於所述的運算器由一乘法器和一除法器構成；其中乘法器的第一輸入端為運算器的第一輸入端，乘法器的第二輸入端為運算器的第二輸入端，除法器的除端為運算器的第三輸入端，乘法器的輸出端與除法器的被除端相連，除法器的輸出端為運算器的輸出端。
專利摘要本實用新型公開了一種多功能高精度數字頻率計，其由一閘門產生模塊、一鑑相器、一寄存器、一運算器、兩個多路選擇器、三個計數器和一顯示器相互連接組成。本實用新型通過合理巧妙的電路結構設計，能夠實現可測量信號的頻率外，還可測量信號的佔空比、周期、脈衝寬度，以及測量兩個信號間的相位差；且頻率測量精度高，測量頻率在量程範圍內保持測量誤差恆定；體積小，除顯示器等外，核心電路可全部在一塊晶片上實現，便於攜帶；功耗低，節能節電。
文檔編號G01R23/10GK202362380SQ20112051977
公開日2012年8月1日 申請日期2011年12月14日 優先權日2011年12月14日
發明者王睿, 王金華 申請人:浙江大學