CN107255748A - 一种数字信号测量与发生仪 - Google Patents

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俞洋
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Abstract

本发明公开了一种数字信号测量与发生仪，属于信号测量及发生技术领域，包括FPGA电路、单片机、信号调理电路、反相比例运放电路和驱动缓冲电路，FPGA电路包括综合处理模块、分频模块、等精度测频模块、时间间隔选择模块、计数模块A、计数模块B、锁相环、信号发生模块和控制位模块，单片机包括液晶显示模块、计数处理模块、按键处理模块、上升时间计数模块和幅值处理模块。本发明实现了对周期性矩形脉冲信号进行频率、占空比、时间间隔、幅度、上升时间的测量以及发生，具有在一定幅值下的频率、周期、占空比、时间间隔以及上升时间等测量值准确度高的优点。

Description

一种数字信号测量与发生仪
技术领域
本发明涉及一种数字信号测量与发生仪，属于信号测量及发生技术领域。
背景技术
电子技术的飞快发展，数字信号测量与发生仪完成了数字信号功能的扩展，除了对频率、占空比和时间间隔的测量等基本信号参数的测量外，频带的范围变得更宽，信号测量的准确度不断提高，同时增加了对脉冲的幅度以及上升时间的测量，从而实现信号测量与发生仪的多功能化，基于简单常用的数字芯片，再配以完善的软件控制，在体积有限的板子上完成大规模、多功能的电子产品的设计变得越来越简单，通过软件上不断改进和完善，数字信号测量与发生仪精度和功能相应拓展的更多。
发明内容
本发明的主要目的是为了提供一种数字信号测量与发生仪，用于解决脉冲信号幅度过高或过低以及其上升时间测量精确度不高的问题，实现对周期性矩形脉冲信号进行频率、占空比、时间间隔、幅度、上升时间的测量以及发生。
本发明的目的可以通过采用如下技术方案达到：
一种数字信号测量与发生仪，包括FPGA电路、单片机、信号调理电路、反相比例运放电路和驱动缓冲电路，所述信号调理电路的输入端输入信号A和信号B，所述信号调理电路的输出端分别与所述FPGA电路、所述单片机、所述反相比例运放电路电连接，所述反相比例运放电路的输出端与所述单片机电连接，所述单片机分别与所述FPGA电路和所述信号调理电路电连接，所述FPGA电路与所述驱动缓冲电路电连接，所述驱动缓冲电路的输出端进行信号输出，所述单片机还分别与液晶屏和键盘电连接，所述FPGA电路用于完成对频率、占空比、时间间隔的测量以及信号发生，所述FPGA电路还用于控制数字信号测量的测量精度，所述单片机用于处理数据并将数据的测量数值发送至所述液晶屏，所述液晶屏用于显示数据的测量数值。
优选的方案是，所述FPGA电路包括综合处理模块、分频模块、等精度测频模块、时间间隔选择模块、计数模块A、计数模块B、锁相环、信号发生模块和控制位模块，所述综合处理模块分别与所述等精度测频模块、所述计数模块A、所述计数模块B和所述信号发生模块电连接。
在上述任一方案中优选的是，所述分频模块的输出端与所述等精度测频模块的输入端电连接，所述等精度测频模块的输入端输入信号A，所述时间间隔选择模块的输入端输入信号A和信号B，所述锁相环分别与所述计数模块A和所述计数模块B电连接，所述控制位模块的输出端与所述信号发生模块电连接。
在上述任一方案中优选的是，所述时间间隔选择模块的输出端分别与所述计数模块A和所述计数模块B电连接，所述时间间隔选择模块用于对输入的信号A和信号B进行信号选择，所述计数模块A和所述计数模块B用于对输入的信号A和信号B进行处理，测量出信号A与信号B之间的时间。
在上述任一方案中优选的是，所述单片机为MSP430单片机，所述FPGA电路和所述单片机通过所述控制位模块传输8位数据，所述FPGA电路用于计数测量、占空比测量和信号发生。
在上述任一方案中优选的是，所述驱动缓冲电路包括74HC573芯片和滤波电容；占空比的测量是通过所述FPGA电路分别测量出送入信号一个周期内高电平和低电平的个数，并送入所述MSP430单片机进行占空比计算；所述综合处理模块用于数据存储，并对送入的方波信号进行测量得到高精度数据，所述综合处理模块还用于实现与所述MSP430单片机之间通信、信号接收及数据传输选择。
在上述任一方案中优选的是，所述FPGA电路输出的信号经两片所述74HC573芯片、所述滤波电路和升压电阻，用于使所述FPGA电路的输出最大电压由3.3V转换为5V，两片所述74HC573芯片级联，用于驱动缓冲使***输出电压稳定。
在上述任一方案中优选的是，所述单片机包括液晶显示模块、计数处理模块、按键处理模块、上升时间计数模块和幅值处理模块，所述液晶显示模块与所述液晶屏电连接，所述按键处理模块与所述键盘电连接，所述计数处理模块分别与所述计数模块A和所述计数模块B电连接。
在上述任一方案中优选的是，所述信号调理电路包括两比较器LM339、继电器K1、继电器K2和继电器K3，两所述比较器LM339分别与所述单片机的输入端电连接，所述单片机的输出端分别与所述继电器K1、所述继电器K2和所述继电器K3电连接；所述继电器K1的输出端与一个OP07运放器电连接，该所述OP07运放器与所述继电器K2电连接；所述继电器K2的输出端与另一个OP07运放器电连接，该所述OP07运放器与所述继电器K3电连接；所述继电器K3的输出端与另一OP07运放器电连接，该所述OP07运放器与所述继电器K1电连接；所述继电器K1、所述继电器K2和所述继电器K3的输出端均与所述单片机的输入端电连接。
在上述任一方案中优选的是，所述反相比例运放电路的输入端和输出端均接有电阻，所述反相比例运放电路包括OP07运放器；所述OP07运放器接通被测电压信号后，电压幅度范围在0.1V～0.4V的放大5倍；所述OP07运放器接通被测电压信号后，电压幅度范围在0.4V～2.5V的不变；所述OP07运放器接通被测电压信号后，电压幅度范围在2.5V～10V的缩小5倍。
本发明的有益技术效果：按照本发明的数字信号测量与发生仪，本发明提供的数字信号测量与发生仪，解决了现有技术中脉冲信号幅度过高或过低以及其上升时间测量精确度不高的问题，能够实现对周期性矩形脉冲信号进行频率、占空比、时间间隔、幅度、上升时间的测量以及发生，具有在一定幅值下的频率、周期、占空比、时间间隔以及上升时间等测量值准确度高的优点，解决了脉冲信号幅度过高或过低以及其上升时间测量精确度不高的问题。
附图说明
图1为按照本发明的数字信号测量与发生仪的一优选实施例的***结构示意图；
图2为按照本发明的数字信号测量与发生仪的一优选实施例的FPGA电路结构图，该实施例可以是与图1相同的实施例，也可以是与图1不同的实施例；
图3为按照本发明的数字信号测量与发生仪的一优选实施例的信号调理电路电路图，该实施例可以是与图1或图2相同的实施例，也可以是与图1或图2不同的实施例；
图4为按照本发明的数字信号测量与发生仪的另一优选实施例的信号调理电路电路图，该实施例可以是与图1或图2或图3相同的实施例，也可以是与图1或图2或图3不同的实施例；
图5为按照本发明的数字信号测量与发生仪的一优选实施例的反相比例运放电路电路图，该实施例可以是与图1或图2或图3或图4相同的实施例，也可以是与图1或图2或图3或图4不同的实施例；
图6为按照本发明的数字信号测量与发生仪的一优选实施例的驱动缓冲电路电路图，该实施例可以是与图1或图2或图3或图4或图5相同的实施例，也可以是与图1或图2或图3或图4或图5不同的实施例。
图中：1-FPGA电路，2-单片机，3-信号调理电路，4-反相比例运放电路，5-驱动缓冲电路，6-液晶屏，7-键盘，11-综合处理模块，12-分频模块，13-等精度测频模块，14-时间间隔选择模块，15-计数模块A，16-计数模块B，17-锁相环，18-信号发生模块，19-控制位模块。
具体实施方式
为使本领域技术人员更加清楚和明确本发明的技术方案，下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
如图1、图2、图3、图4、图5和图6所示，本实施例提供的一种数字信号测量与发生仪，其特征在于：包括FPGA电路1、单片机2、信号调理电路3、反相比例运放电路4和驱动缓冲电路5，所述信号调理电路3的输入端输入信号A和信号B，所述信号调理电路3的输出端分别与所述FPGA电路1、所述单片机2、所述反相比例运放电路4电连接，所述反相比例运放电路4的输出端与所述单片机2电连接，所述单片机2分别与所述FPGA电路1和所述信号调理电路3电连接，所述FPGA电路1与所述驱动缓冲电路5电连接，所述驱动缓冲电路5的输出端进行信号输出，所述单片机2还分别与液晶屏6和键盘7电连接，所述FPGA电路1用于完成对频率、占空比、时间间隔的测量以及信号发生，所述FPGA电路1还用于控制数字信号测量的测量精度，所述单片机2用于处理数据并将数据的测量数值发送至所述液晶屏6，所述液晶屏6用于显示数据的测量数值。
进一步的，在本实施例中，如图1和图2所示，所述FPGA电路1包括综合处理模块11、分频模块12、等精度测频模块13、时间间隔选择模块14、计数模块A15、计数模块B16、锁相环17、信号发生模块18和控制位模块19，所述综合处理模块11分别与所述等精度测频模块13、所述计数模块A15、所述计数模块B16和所述信号发生模块18电连接，所述分频模块12的输出端与所述等精度测频模块13的输入端电连接，所述等精度测频模块13的输入端输入信号A，所述时间间隔选择模块14的输入端输入信号A和信号B，所述锁相环17分别与所述计数模块A15和所述计数模块B16电连接，所述控制位模块19的输出端与所述信号发生模块18电连接。
进一步的，在本实施例中，如图1和图2所示，所述时间间隔选择模块14的输出端分别与所述计数模块A15和所述计数模块B16电连接，所述时间间隔选择模块14用于对输入的信号A和信号B进行信号选择，所述计数模块A15和所述计数模块B16用于对输入的信号A和信号B进行处理，测量出信号A与信号B之间的时间。
进一步的，在本实施例中，如图1、图2和图6所示，所述单片机2为MSP430单片机，所述FPGA电路1和所述单片机2通过所述控制位模块19传输8位数据，所述FPGA电路1用于计数测量、占空比测量和信号发生，所述驱动缓冲电路5包括74HC573芯片和滤波电容；占空比的测量是通过所述FPGA电路1分别测量出送入信号一个周期内高电平和低电平的个数，并送入所述MSP430单片机进行占空比计算；所述综合处理模块11用于数据存储，并对送入的方波信号进行测量得到高精度数据，所述综合处理模块11还用于实现与所述MSP430单片机之间通信、信号接收及数据传输选择，所述FPGA电路1输出的信号经两片所述74HC573芯片、所述滤波电路和升压电阻，用于使所述FPGA电路1的输出最大电压由3.3V转换为5V，两片所述74HC573芯片级联，用于驱动缓冲使***输出电压稳定。
进一步的，在本实施例中，如图1和图2所示，所述单片机2包括液晶显示模块、计数处理模块、按键处理模块、上升时间计数模块和幅值处理模块，所述液晶显示模块与所述液晶屏6电连接，所述按键处理模块与所述键盘7电连接，所述计数处理模块分别与所述计数模块A15和所述计数模块B16电连接。
进一步的，在本实施例中，如图3和图4所示，所述信号调理电路3包括两比较器LM339、继电器K1、继电器K2和继电器K3，两所述比较器LM339分别与所述单片机2的输入端电连接，所述单片机2的输出端分别与所述继电器K1、所述继电器K2和所述继电器K3电连接；所述继电器K1的输出端与一个OP07运放器电连接，该所述OP07运放器与所述继电器K2电连接；所述继电器K2的输出端与另一个OP07运放器电连接，该所述OP07运放器与所述继电器K3电连接；所述继电器K3的输出端与另一OP07运放器电连接，该所述OP07运放器与所述继电器K1电连接；所述继电器K1、所述继电器K2和所述继电器K3的输出端均与所述单片机2的输入端电连接。
进一步的，在本实施例中，如图4和图5所示，所述反相比例运放电路4的输入端和输出端均接有电阻，所述反相比例运放电路4包括OP07运放器；所述OP07运放器接通被测电压信号后，电压幅度范围在0.1V～0.4V的放大5倍；所述OP07运放器接通被测电压信号后，电压幅度范围在0.4V～2.5V的不变；所述OP07运放器接通被测电压信号后，电压幅度范围在2.5V～10V的缩小5倍。
进一步的，在本实施例中，分频模块通过对50MHz的晶振进行锁相倍频和分频分别得到200MHz和1MHz的时钟，为下面的测频等所需要的时钟做好准备，等精度测频模块通过对送入的方波信号进行测量得到高精度数据，时间间隔选择模块对送入的A、B信号进行处理，测量出他们之间的间隔数据，占空比测量是通过FPGA分别测量出送入信号一个周期内高低电平的个数，送入单片机进行计算占空比，信号发生模块用于产生50％占空比以及频率值在1MHz脉冲信号，综合处理模块存储前面三个测量电路以及信号发生电路的数据，同时用来和单片机完成通信，接收单片机的控制信号，选择单片机需要的数据传输。
进一步的，在本实施例中，对LM339设置参考电压分别为0.4V和2.5V对输入电压幅度分类，由单片机接收分类后的信号，0.1V～0.4V接收的信号为00，0.4V～2.5V接收的信号是01，2.5V～10V接收的信号是10，单片机接收并相应输出给3个继电器K1、K2、K3以001、010、100信号控制继电器开关由此对电压范围进行识别，三个继电器输出进的电压信号经由OP07构成的运放电路，接收001信号Vi1，接通被测电压信号后幅度范围在0.1V～0.4V电压放大5倍，接收010信号Vi2，接通被测电压信号后幅度范围在0.4V～2.5V电压不变，接收100信号Vi3，接通被测电压信号后幅度范围在2.5V～10V电压缩小5倍,输出电压送回单片机处理并精确显示所测数据。测量电路中由于单片机无法接收超过5V以上的电压，大于5V的电压需要降压处理后送入单片机中分析处理并通过液晶显示。
进一步的，在本实施例中，反相比例运放电路所测量的是信号幅值的10％上升至90％所需要的时间，电压经过OP07反相放大器U1所得电压是输入电压的R1/R2倍，为10％的输入电压，同理R3/R4得电压经OP07反相放大器U2所得电压是输入电压的90％，经单片机经异或分析后得出上升时间。
进一步的，在本实施例中，通过FPGA对基准脉冲个数的计数和对内部50M晶振的分频可以实现50％占空比以及频率值在1MHz脉冲信号的产生。FPGA输出的信号经两片级联的74HC573芯片以及电源滤波电路和升压电阻，使得发生器的信号输出最大电压由3.3V可以转换成5V，从而满足输出幅度为5V的要求。
进一步的，在本实施例中，FPGA与MSP430单片机通过控制位传输8位数据，FPGA负责计数测量，MSP430负责处理数据并显示相应的测量数值。被测信号经过信号调理电路分别输入FPGA和MSP430中分析，当测量信号为上升时间时需要先经信号调理再经反相比例运放电路。信号发生从FPGA输出后，通过驱动缓存电路输出相应的发生信号。
综上所述，在本实施例中，按照本实施例的数字信号测量与发生仪，本实施例提供的数字信号测量与发生仪，解决了现有技术中脉冲信号幅度过高或过低以及其上升时间测量精确度不高的问题，能够实现对周期性矩形脉冲信号进行频率、占空比、时间间隔、幅度、上升时间的测量以及发生，具有在一定幅值下的频率、周期、占空比、时间间隔以及上升时间等测量值准确度高的优点，解决了脉冲信号幅度过高或过低以及其上升时间测量精确度不高的问题。
以上所述，仅为本发明进一步的实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明所公开的范围内，根据本发明的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种数字信号测量与发生仪，其特征在于：包括FPGA电路(1)、单片机(2)、信号调理电路(3)、反相比例运放电路(4)和驱动缓冲电路(5)，所述信号调理电路(3)的输入端输入信号A和信号B，所述信号调理电路(3)的输出端分别与所述FPGA电路(1)、所述单片机(2)、所述反相比例运放电路(4)电连接，所述反相比例运放电路(4)的输出端与所述单片机(2)电连接，所述单片机(2)分别与所述FPGA电路(1)和所述信号调理电路(3)电连接，所述FPGA电路(1)与所述驱动缓冲电路(5)电连接，所述驱动缓冲电路(5)的输出端进行信号输出，所述单片机(2)还分别与液晶屏(6)和键盘(7)电连接，所述FPGA电路(1)用于完成对频率、占空比、时间间隔的测量以及信号发生，所述FPGA电路(1)还用于控制数字信号测量的测量精度，所述单片机(2)用于处理数据并将数据的测量数值发送至所述液晶屏(6)，所述液晶屏(6)用于显示数据的测量数值。
2.根据权利要求1所述的一种数字信号测量与发生仪，其特征在于：所述FPGA电路(1)包括综合处理模块(11)、分频模块(12)、等精度测频模块(13)、时间间隔选择模块(14)、计数模块A(15)、计数模块B(16)、锁相环(17)、信号发生模块(18)和控制位模块(19)，所述综合处理模块(11)分别与所述等精度测频模块(13)、所述计数模块A(15)、所述计数模块B(16)和所述信号发生模块(18)电连接。
3.根据权利要求2所述的一种数字信号测量与发生仪，其特征在于：所述分频模块(12)的输出端与所述等精度测频模块(13)的输入端电连接，所述等精度测频模块(13)的输入端输入信号A，所述时间间隔选择模块(14)的输入端输入信号A和信号B，所述锁相环(17)分别与所述计数模块A(15)和所述计数模块B(16)电连接，所述控制位模块(19)的输出端与所述信号发生模块(18)电连接。
4.根据权利要求3所述的一种数字信号测量与发生仪，其特征在于：所述时间间隔选择模块(14)的输出端分别与所述计数模块A(15)和所述计数模块B(16)电连接，所述时间间隔选择模块(14)用于对输入的信号A和信号B进行信号选择，所述计数模块A(15)和所述计数模块B(16)用于对输入的信号A和信号B进行处理，测量出信号A与信号B之间的时间。
5.根据权利要求2所述的一种数字信号测量与发生仪，其特征在于：所述单片机(2)为MSP430单片机，所述FPGA电路(1)和所述单片机(2)通过所述控制位模块(19)传输8位数据，所述FPGA电路(1)用于计数测量、占空比测量和信号发生。
6.根据权利要求5所述的一种数字信号测量与发生仪，其特征在于：所述驱动缓冲电路(5)包括74HC573芯片和滤波电容；占空比的测量是通过所述FPGA电路(1)分别测量出送入信号一个周期内高电平和低电平的个数，并送入所述MSP430单片机进行占空比计算；所述综合处理模块(11)用于数据存储，并对送入的方波信号进行测量得到高精度数据，所述综合处理模块(11)还用于实现与所述MSP430单片机之间通信、信号接收及数据传输选择。
7.根据权利要求6所述的一种数字信号测量与发生仪，其特征在于：所述FPGA电路(1)输出的信号经两片所述74HC573芯片、所述滤波电路和升压电阻，用于使所述FPGA电路(1)的输出最大电压由3.3V转换为5V，两片所述74HC573芯片级联，用于驱动缓冲使***输出电压稳定。
8.根据权利要求2所述的一种数字信号测量与发生仪，其特征在于：所述单片机(2)包括液晶显示模块、计数处理模块、按键处理模块、上升时间计数模块和幅值处理模块，所述液晶显示模块与所述液晶屏(6)电连接，所述按键处理模块与所述键盘(7)电连接，所述计数处理模块分别与所述计数模块A(15)和所述计数模块B(16)电连接。
9.根据权利要求1所述的一种数字信号测量与发生仪，其特征在于：所述信号调理电路(3)包括两比较器LM339、继电器K1、继电器K2和继电器K3，两所述比较器LM339分别与所述单片机(2)的输入端电连接，所述单片机(2)的输出端分别与所述继电器K1、所述继电器K2和所述继电器K3电连接；所述继电器K1的输出端与一个OP07运放器电连接，该所述OP07运放器与所述继电器K2电连接；所述继电器K2的输出端与另一个OP07运放器电连接，该所述OP07运放器与所述继电器K3电连接；所述继电器K3的输出端与另一OP07运放器电连接，该所述OP07运放器与所述继电器K1电连接；所述继电器K1、所述继电器K2和所述继电器K3的输出端均与所述单片机(2)的输入端电连接。
10.根据权利要求1所述的一种数字信号测量与发生仪，其特征在于：所述反相比例运放电路(4)的输入端和输出端均接有电阻，所述反相比例运放电路(4)包括OP07运放器；所述OP07运放器接通被测电压信号后，电压幅度范围在0.1V～0.4V的放大5倍；所述OP07运放器接通被测电压信号后，电压幅度范围在0.4V～2.5V的不变；所述OP07运放器接通被测电压信号后，电压幅度范围在2.5V～10V的缩小5倍。
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