CN112611913A - 一种用于教学的时间与频率测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种实验教学应用的时间与频率测量装置,包括2路测试信号、2路输入电路,主控电路,显示电路,供电电路,晶振电路,测频模式选择开关、测周模式选择开关,闸门时间选择开关和周期倍乘选择开关;主控电路采用FPGA芯片,FPGA芯片内部包括分频器、分频/倍频器、门控电路A、门控电路B、闸门A、闸门B和计数器;测试信号A连接到第一输入电路,送入FPGA的输入管脚作为闸门A的输入;测试信号B连接到第二输入电路,送入FPGA的输入管脚作为分频器的输入,作为门控电路B的输入,晶振电路连接到FPGA芯片的输入管脚作为分频/倍频器的输入。该装置结构简单,特别适合时间与频率测量实验教学。
Description
技术领域
本发明属于实验教学仪器领域,涉及一种用于教学的时间与频率测量装置。
背景技术
时间与频率是电子测量领域的基本参量,了解时间与频率测量的原理有助于电子测量等专业课程的深入学习。时间与频率测量的通用化仪器是电子计数器,能够提供高精度的测量结果,要求测量误差尽可能小,但是在实验教学中不能体现测量的基本原理和误差来源,因此这些通用化的仪器并不适合时间与频率测量的实验教学。
发明内容
针对现有技术的不足,本发明提供一种用于教学的时间与频率测量装置,能很好地体现频率与时间测量的基本原理、误差的来源以及减小方法,特别适合时间与频率测量实验教学。
为了实现上述目的,本发明的技术方案为:一种实验教学应用的时间与频率测量装置,包括2路测试信号、2路输入电路,主控电路,显示电路,供电电路,晶振电路,测频模式选择开关、测周模式选择开关,闸门时间选择开关和周期倍乘选择开关;供电电路为本装置提供电源,主控电路采用FPGA芯片,FPGA芯片内部包括分频器、分频/倍频器、门控电路A、门控电路B、闸门A、闸门B和计数器;测试信号A连接到第一输入电路,经过信号整形和光电隔离后,送入FPGA的输入管脚作为闸门A的输入;测试信号B连接到第二输入电路,经过信号整形和光电隔离后,送入FPGA的输入管脚作为分频器的输入,经过分频器处理后,作为门控电路B的输入,门控电路B的输出送到闸门B作为闸门时间信号;晶振电路连接到FPGA芯片的输入管脚作为分频/倍频器的输入,经分频/倍频器处理后,输出一送到门控电路A的输入,门控电路A的输出作为闸门A的闸门时间信号,输出二送到闸门B的输入,作为闸门B的计数信号;测频模式选择开关连接到FPGA芯片的输入管脚,作为门控电路A的输入,测周模式选择开关连接到FPGA芯片的输入管脚,作为门控电路B的输入,闸门时间选择开关连接到FPGA芯片的输入管脚,作为分频/倍频器的输入,周期倍乘选择开关连接到FPGA芯片的输入管脚,作为分频器的输入,分频/倍频器对晶振电路的信号进行分频得到不同的时标信号,各门控电路根据选择的闸门时间控制其各自闸门的开启和关断,计数器根据计数值计算得出频率值并以二进制形式存储,显示电路连接到FPGA的输出管脚,接收计数器的输出结果,显示电路以十进制方式显示时间与频率的测量结果。
本发明还具有如下技术特征:
1、在测频模式下,调节闸门时间选择开关的闸门时间档,主控电路先判断哪一个闸门时间被选中,得到被选中的闸门时间值后,在此时间内对输入信号的上升沿进行计数,得到计数结果,将计数结果直接乘闸门时间对应的频率即为输入信号频率。
2、在测周期模式下,调节周期倍乘选择开关的周期倍乘档,主控电路先判断哪一个周期倍乘档被选中,得到被选中的周期倍乘值后,将输入信号按照周期倍乘分频,得到用于计数的闸门时间,在闸门时间内对此时标信号上升沿进行计数,用计数值乘时标信号周期再除以周期倍乘值即为被测信号周期。
3、2路测试信号为函数信号发生器产生的正弦波,范围10Hz-1.2MHz,所述的输入电路包括输入阻抗选择电路、整形电路分和光电隔离电路,输入阻抗选择电路与整形电路电信号连接,整形电路与光电隔离电路电信号连接,通过整形电路将正弦波转换为同频率的方波,光电隔离电路采用光耦隔离芯片进行光耦隔离。
4、所述的FPGA芯片采用XC6SLX9-2TQG144C芯片。
5、所述的供电电路,+5V转为+3.3V的芯片采用ADP150-3.3芯片,+3.3V转为+1.2V的芯片采用AMS1117-1.2芯片。
6、所述的测频模式选择开关、测周模式选择开关、闸门时间选择开关和周期倍乘选择开关都采用拨码开关和下拉电阻,所有开关未闭合时通过下拉电阻接地,闭合后拉高至+3.3V,所有开关直接接至FPGA的I/O口。
7、在测频模式下选择1ms,10ms,100ms,1s,10s的不同闸门时间进行频率测量和误差比较。
8、在测周期模式下选择10MHz,1MHz,100kHz,10kHz,1kHz的不同时标信号,以及×1,×10,×100,×1000,×10000的不同周期倍乘值进行频率测量和误差比较。
本发明的优点及有益效果:该装置结构简单、成本低、使用方便,能很好地体现频率与时间测量的基本原理、误差的来源以及减小方法。本发明很好地满足了电子测量相关课程实验的需求,有助于学生更好地了解频率和时间测量的基本原理、误差来源及减小方法。
附图说明
图1是根据本发明的实施例1的原理框图。
图2是根据本发明的实施例1的主控电路逻辑状态图。
图3是根据本发明的实施例1的频率测量操作原理示意图。
图4是根据本发明的实施例1的周期测量操作原理示意图。
图5是根据本发明的实施例1的闸门时间和周期倍乘选择原理图。
其中 1、第一输入电路,2、第二输入电路,3、闸门时间选择开关,4、晶振电路,5、显示电路,6、分频/倍频器,7、分频器,8、周期倍乘选择开关,9、测周模式选择开关,10、门控电路B,11、闸门B,12、门控电路A,13、闸门A,14、测频模式选择开关,15、计数器,16、供电电路。
具体实施方式
下面根据说明书附图举例对本发明做进一步的说明:
实施例1
如图1所示,一种实验教学应用的时间与频率测量装置,包括2路测试信号、2路输入电路,主控电路,显示电路,供电电路,晶振电路,测频模式选择开关、测周模式选择开关,闸门时间选择开关和周期倍乘选择开关;供电电路为本装置提供电源,主控电路采用FPGA芯片,所述的FPGA芯片采用XC6SLX9-2TQG144C芯片,FPGA芯片内部包括分频器、分频/倍频器、门控电路A、门控电路B、闸门A、闸门B和计数器;测试信号A连接到第一输入电路,经过信号整形和光电隔离后,送入FPGA的第114管脚作为闸门A的输入;测试信号B连接到第二输入电路,经过信号整形和光电隔离后,送入FPGA的第118管脚作为分频器的输入,经过分频器处理后,作为门控电路B的输入,门控电路B的输出送到闸门B作为闸门时间信号;晶振电路连接到FPGA的第55管脚作为分频/倍频器的输入,经分频/倍频器处理后,输出一送到门控电路A的输入,门控电路A的输出作为闸门A的闸门时间信号,输出二送到闸门B的输入,作为闸门B的计数信号;测频模式选择开关连接到FPGA的第102管脚,作为门控电路A的输入,测周模式选择开关连接到FPGA的第105管脚,作为门控电路B的输入,闸门时间选择开关连接到FPGA的第78、79、80、81、82管脚的输入管脚,作为分频/倍频器的输入,周期倍乘选择开关连接到FPGA的第97、98、99、100、101管脚,作为分频器的输入,分频/倍频器对晶振电路的信号进行分频得到不同的时标信号,各门控电路根据选择的闸门时间控制其各自闸门的开启和关断,计数器根据计数值计算得出频率值并以二进制形式存储,显示电路连接到FPGA的第2、5、6、7、8、9、10、11、12、26、27管脚,接收计数器的输出结果,显示电路以十进制方式显示时间与频率的测量结果。所述的供电电路,+5V转为+3.3V的芯片采用ADP150-3.3芯片,+3.3V转为+1.2V的芯片采用AMS1117-1.2芯片。输入信号为函数信号发生器产生的正弦波,范围10Hz-1.2MHz,所述的输入电路包括输入阻抗选择电路、整形电路分和光电隔离电路,输入阻抗选择电路与整形电路电信号连接,整形电路与光电隔离电路电信号连接,通过整形电路将正弦波转换为同频率的方波,光电隔离电路采用光耦隔离芯片进行光耦隔离,输入阻抗可选50Ω或1MΩ,采用LM339芯片对输入信号整形,采用HCPL063L芯片对整形后的信号光电隔离。显示电路,采用液晶显示屏LCD1602实现,可以显示频率和时间,频率显示单位为赫兹,时间显示单位为微秒。晶振电路,采用20MHz有源晶振,型号3325。所述的测频模式选择开关、测周模式选择开关、闸门时间选择开关和周期倍乘选择开关都采用拨码开关和下拉电阻,所有开关未闭合时通过下拉电阻接地,闭合后拉高至+3.3V,所有开关直接接至FPGA的I/O口。本实施例在测频模式下选择1ms,10ms,100ms,1s,10s的不同闸门时间进行频率测量和误差比较。在测周期模式下选择10MHz,1MHz,100kHz,10kHz,1kHz的不同时标信号,以及×1,×10,×100,×1000,×10000的不同周期倍乘值进行频率测量和误差比较。
实施例2
采用实施例1装置的能很好地体现频率与时间测量的基本原理、误差的来源以及减小方法,可以完成如下实验内容:
表1频率测量实验内容
表2时间测量实验内容
根据实验内容分为直接测频法和测周期法两大部分。直接测频法部分可以选择1ms,10ms,100ms,1s,10s的不同闸门时间进行频率测量和误差比较;测周期法部分可以选择10MHz,1MHz,100kHz,10kHz,1kHz的不同时标信号,以及×1,×10,×100,×1000,×10000的不同周期倍乘值进行频率测量和误差比较,其中实验输入信号为幅度1V~5V,频率10Hz~1.2MHz的正弦波。如图图2为FGPA逻辑状态图,测频率和时间的原理按照频率的定义来实现。
1、根据开关模块,选择当前电子计数器的工作模式为测频模式时:
即依照频率的定义,若某一信号在T秒时间内重复变化N次,则此信号频率为:测频时,其原理如附图3,由晶振电路产生的信号经分频器及门控电路A,形成标准时间T(闸门时间)控制闸门A开启,被测信号经过放大和整形后形成与被测信号同频率的序列窄脉冲,闸门A在闸门时间T内开启,计数器对序列脉冲计数,计数值为N,由公式即可计算得出所测频率。
2、根据开关模块,选择当前电子计数器的工作模式为测周模式时:
如附图4,测量周期法为将被测信号经放大,整形,分频及门控电路B形成闸门时间Tx(即为被测信号频率的倒数),则闸门B的开启时间等于被测信号的周期。晶振信号即为周期为Tc的时标脉冲信号,在闸门时间内对脉冲信号计数,若计数值为N,则Tx=NTc,由此计算出所测信号的周期。
本发明很好地满足了电子测量相关课程实验的需求,有助于学生更好地了解频率和时间测量的基本原理、误差来源及减小方法。
Claims (9)
1.一种实验教学应用的时间与频率测量装置,包括2路测试信号、2路输入电路,主控电路,显示电路,供电电路,晶振电路,测频模式选择开关、测周模式选择开关,闸门时间选择开关和周期倍乘选择开关;供电电路为本装置提供电源,其特征在于:主控电路采用FPGA芯片,FPGA芯片内部包括分频器、分频/倍频器、门控电路A、门控电路B、闸门A、闸门B和计数器;测试信号A连接到第一输入电路,经过信号整形和光电隔离后,送入FPGA的输入管脚作为闸门A的输入;测试信号B连接到第二输入电路,经过信号整形和光电隔离后,送入FPGA的输入管脚作为分频器的输入,经过分频器处理后,作为门控电路B的输入,门控电路B的输出送到闸门B作为闸门时间信号;晶振电路连接到FPGA芯片的输入管脚作为分频/倍频器的输入,经分频/倍频器处理后,输出一送到门控电路A的输入,门控电路A的输出作为闸门A的闸门时间信号,输出二送到闸门B的输入,作为闸门B的计数信号;测频模式选择开关连接到FPGA芯片的输入管脚,作为门控电路A的输入,测周模式选择开关连接到FPGA芯片的输入管脚,作为门控电路B的输入,闸门时间选择开关连接到FPGA芯片的输入管脚,作为分频/倍频器的输入,周期倍乘选择开关连接到FPGA芯片的输入管脚,作为分频器的输入,分频/倍频器对晶振电路的信号进行分频得到不同的时标信号,各门控电路根据选择的闸门时间控制其各自闸门的开启和关断,计数器根据计数值计算得出频率值并以二进制形式存储,显示电路连接到FPGA的输出管脚,接收计数器的输出结果,显示电路以十进制方式显示时间与频率的测量结果。
2.根据权利要求1所述的一种实验教学应用的时间与频率测量装置,其特征在于:在测频模式下,调节闸门时间选择开关的闸门时间档,主控电路先判断哪一个闸门时间被选中,得到被选中的闸门时间值后,在此时间内对输入信号的上升沿进行计数,得到计数结果,将计数结果直接乘闸门时间对应的频率即为输入信号频率。
3.根据权利要求1所述的一种实验教学应用的时间与频率测量装置,其特征在于:在测周期模式下,调节周期倍乘选择开关的周期倍乘档,主控电路先判断哪一个周期倍乘档被选中,得到被选中的周期倍乘值后,将输入信号按照周期倍乘分频,得到用于计数的闸门时间,在闸门时间内对此时标信号上升沿进行计数,用计数值乘时标信号周期再除以周期倍乘值即为被测信号周期。
4.根据权利要求1所述的一种实验教学应用的时间与频率测量装置,其特征在于:输入信号为函数信号发生器产生的正弦波,范围10Hz-1.2MHz,所述的输入电路包括输入阻抗选择电路、整形电路分和光电隔离电路,输入阻抗选择电路与整形电路电信号连接,整形电路与光电隔离电路电信号连接,通过整形电路将正弦波转换为同频率的方波,光电隔离电路采用光耦隔离芯片进行光耦隔离。
5.根据权利要求1所述的一种实验教学应用的时间与频率测量装置,其特征在于:所述的FPGA芯片采用XC6SLX9-2TQG144C芯片。
6.根据权利要求1所述的一种实验教学应用的时间与频率测量装置,其特征在于:所述的供电电路,+5V转为+3.3V的芯片采用ADP150-3.3芯片,+3.3V转为+1.2V的芯片采用AMS1117-1.2芯片。
7.根据权利要求1所述的一种实验教学应用的时间与频率测量装置,其特征在于:所述的测频模式选择开关、测周模式选择开关、闸门时间选择开关和周期倍乘选择开关都采用拨码开关和下拉电阻,所有开关未闭合时通过下拉电阻接地,闭合后拉高至+3.3V,所有开关直接接至FPGA的I/O口。
8.根据权利要求1所述的一种实验教学应用的时间与频率测量装置,其特征在于:在测频模式下选择1ms,10ms,100ms,1s,10s的不同闸门时间进行频率测量和误差比较。
9.根据权利要求1所述的一种实验教学应用的时间与频率测量装置,其特征在于:在测周期模式下选择10MHz,1MHz,100kHz,10kHz,1kHz的不同时标信号,以及×1,×10,×100,×1000,×10000的不同周期倍乘值进行频率测量和误差比较。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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