CN109116107A - 一种数字频率计 - Google Patents

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王蒴
高隆林
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    • G01R23/02—Arrangements for measuring frequency, e.g. pulse repetition rate; Arrangements for measuring period of current or voltage
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Abstract

本申请公开了一种数字频率计，包括：依次相连的第一过零比较电路、GAL模块电路和单片机，GAL模块电路包括多个级联的GAL计数器；第一过零比较电路，用于将输入的正弦信号转换为第一方波；GAL模块电路，用于对第一过零比较电路发送的第一方波进行频率测量，得到频率脉冲信号；单片机，用于利用频率脉冲信号，得到正弦信号的频率；本申请采用包括多个级联的GAL计数器的GAL模块电路，增加了输出端的数量，能够输出与高频方波对应的脉冲信号，以令单片机对脉冲信号进行相应的处理和计算，得到正弦信号的频率，实现对高频的正弦信号的频率测量，提高了频率测量范围。

Description

一种数字频率计
技术领域
本发明涉及电子测量仪制造领域，特别涉及一种数字频率计。
背景技术
在传统的电子测量仪器中，示波器在进行频率测量时测量精度较低，误差较大，频谱仪可以准确的测量频率并测量被测信号的频谱，但测量速度较慢，无法实时快速的跟踪捕捉到被测信号频率的变化；而频率计能够快速准确的捕捉到被测信号频率的变化，因此频率计拥有非常广泛的应用范围。
传统的数字频率计的许多功能是通过普通的时序电路组合等大量硬件电子元器件来实现的，这样会造成体积大的缺点，且不适合低频信号的直接测量，又因为电子元器件之间会不可避免的存在互相干扰的情况，缩小体积后线路之间的信号影响也不可估计及避免，影响数字频率计测量的运行速度、精确度及准确性，尤其是频率测量范围窄，无法适应当今电子行业的发展。
为此，需要提供一种频率测量范围广的数字频率计。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种数字频率计，提高了频率测量范围。其具体方案如下：
一种数字频率计，包括：依次相连的第一过零比较电路、GAL模块电路和单片机，所述GAL模块电路包括多个级联的GAL计数器；
所述第一过零比较电路，用于将输入的正弦信号转换为第一方波；
所述GAL模块电路，用于对所述第一过零比较电路发送的第一方波进行频率测量，得到频率脉冲信号；
所述单片机，用于利用所述频率脉冲信号，得到所述正弦信号的频率。
可选的，还包括：
用于对所述数字频率计供电的电源电路，包括电源、电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路。
可选的，所述第一过零比较电路包括用于将所述正弦信号转换为所述第一方波的AD8611芯片。
可选的，还包括：第二过零比较电路和PWM电路；
所述第一过零比较电路分别与所述PWM电路和所述GAL模块电路连接，所述第二过零比较电路与所述GAL模块电路连接，所述GAL模块电路和所述PWM电路分别与所述单片机连接，所述GAL模块电路与所述PWM电路连接；
所述第二过零比较电路，用于将输入的所述正弦信号转换为第二方波；
所述GAL模块电路，还用于利用所述第一方波和所述第二过零比较电路发送的第二方波，生成第三方波；
所述PWM电路，用于去除所述第一方波的高次谐波，得到所述第一方波的第一直流分量；去除所述第三方波的高次谐波，得到所述第三方波的第二直流分量；
所述单片机，还用于利用所述第一直流分量，得到所述正弦信号的占空比；利用所述第二直流分量，得到所述第三方波的占空比，利用所述第三方波的占空比和所述正弦信号的频率，得到所述正弦信号的时间间隔。
可选的，还包括：
与所述单片机相连，用于显示测量结果的显示屏，所述测量结果包括所述正弦信号的频率、周期、占空比和时间间隔。
可选的，所述GAL模块电路，包括：
异或处理单元，用于对所述第一方波和所述第二方波进行异或处理，得到所述第三方波。
可选的，所述PWM电路，包括多个依次连接的低通滤波器和运算放大器；多个依次连接的低通滤波器的输出端与所述运算放大器的同相输入端相连，所述运算放大器的反相输入端与所述运算放大器的输出端相连。
可选的，所述第二过零比较电路，具体用于将输入的所述正弦信号转换为初始第二方波，对所述初始第二方波进行放大，得到所述第二方波。
可选的，所述第二过零比较电路包括用于将所述正弦信号转换为初始第二方波的AD8611芯片和用于对所述初始第二方波进行放大，得到所述第二方波的AD8099芯片。
本发明中，数字频率计，包括：依次相连的第一过零比较电路、GAL模块电路和单片机，GAL模块电路包括多个级联的GAL计数器；第一过零比较电路，用于将输入的正弦信号转换为第一方波；GAL模块电路，用于对第一过零比较电路发送的第一方波进行频率测量，得到频率脉冲信号；单片机，用于利用频率脉冲信号，得到正弦信号的频率。
本发明采用包括多个级联的GAL计数器的GAL模块电路2，增加了输出端的数量，能够输出与高频方波对应的脉冲信号，此时，第一过零比较电路1将高频的方波信号发送至GAL模块电路2后，GAL模块电路2能够输出与之对应的脉冲信号，以令单片机3对脉冲信号进行相应的处理和计算，得到正弦信号的频率，实现对高频的正弦信号的频率测量，提高了频率测量范围。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种数字频率计结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种电源电路结构示意图；
图3为本发明实施例提供的第一过零比较电路结构示意图；
图4为本发明实施例提供的另一种数字频率计结构示意图；
图5为本发明实施例提供的AD8099芯片结构示意图；
图6为本发明实施例提供的一种GAL模块电路结构示意图；
图7为本发明实施例提供的一种PWM电路结构示意图；
图8为本发明实施例提供的一种方波波形示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开了一种数字频率计，参见图1所示，该频率计包括：依次相连的第一过零比较电路1、GAL模块电路2(GAL，generic array logic，通用阵列逻辑)和单片机3，GAL模块电路2包括多个级联的GAL计数器；
第一过零比较电路1，用于将输入的正弦信号转换为第一方波。
其中，正弦信号为输入的待测量正弦信号，第一过零比较电路1利用比较器将正弦信号转换为第一方波信号，以便于后续频率的测量。
GAL模块电路2，用于对第一过零比较电路1发送的第一方波进行频率测量，得到频率脉冲信号。
具体的，GAL模块电路2利用多个级联的GAL计数器，增加了输出端的数量，能够输出与高频方波对应的脉冲信号，从而实现了对高频率的第一方波进行频率测量，提高了频率测量范围。
例如，GAL模块电路2包括两个级联的可编程逻辑器件，两个可编程逻辑器件级联后，有15个输出端可供使用，可以满足输入频率为166Mhz的方波。
单片机3，用于利用频率脉冲信号，得到正弦信号的频率。
具体的，单片机3利用频率脉冲信号，进行相应的处理和计算，便可以得到正弦信号的频率。
可见，本发明实施例采用包括多个级联的GAL计数器的GAL模块电路2，增加了输出端的数量，能够输出与高频方波对应的脉冲信号，此时，第一过零比较电路1将高频的方波信号发送至GAL模块电路2后，GAL模块电路2能够输出与之对应的脉冲信号，以令单片机3对脉冲信号进行相应的处理和计算，得到正弦信号的频率，实现对高频的正弦信号的频率测量，提高了频率测量范围。
本发明实施例中的单片机3可以为MSP430-F149，单片机3具备集成度高、系统结构简单、性价比高、系统扩展方便，处理速度快能力强、抗干扰能力强、兼容性好和开发方便等优点，由于单片机3的强大的运算能力和控制能力，使得设计开发高精度的电子仪器，如频率计时，变得更加有效，内部丰富的存储资源，能够满足频率计设计的各种不同需要。
其中，可编程逻辑器件GAL采用了电可擦除CMOS工艺，具有低功耗、电擦除可反复编程、速度快的特点，而且GAL采用了先进的可编程输出逻辑宏单元OLMC结构，通过编程可将OLMC设置成不同的工作状态，改变了PAL(Programmable Logic Array，可编程序逻辑阵列)对不同功能的逻辑电路需选用不同PAL型号的缺点，从而增加了器件的通用性。另外，GAL还具有独特的加密单元防止了对芯片内部逻辑功能的非法抄袭。
本发明实施例公开了一种具体的数字频率计，相对于上一实施例，本实施例对技术方案作了进一步的说明和优化。具体的：
在上一实施例的基础上数字频率计，还可以包括用于对数字频率计供电的电源电路，参考图2所示包括依次相连的电源P1、电源变压器T1、整流电路71、滤波电路73和稳压电路72，电源变压器T1将电网220V的交流电压变换成符合需要的交流电压，整流电路71利用具有单向导电性能的整流元件(如二极管)，把大小方向都变化的交流电变换为方向不变但大小仍有脉动的直流电，滤波电路73利用储能元件电容器两端的电压不能突变的性质，把电容与整流负载并联，可以将整流电路输出中的交流成分大部分加以滤除，从而得到比较平滑的直流电，稳压电路72使整流滤波后的直流电压基本上不随电网电压或负载的变化而变化，其中，电源电路的具体电路拓扑可以参考图2所示，电源P1通过9V1.5W的电源变压器T1降压，连接桥式整流电路71，整流电路71由型号均为IN4007的第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3和第四二极管D4组成，整流电路71一端接地，另一端接一2mH电感线圈L1，电感线圈L1将电压整的更平整，以输出9V电压，电感线圈L1连接一个发光二极管D5用来作为电源指示灯，电阻R15是发光二极管的限流电阻；稳压电路72包括第一稳压电路721由型号为SPX1521-5V的第一稳压器U5和第五电容C11、第一电容C6、第三电容C8、第六电容C12组成，第二稳压电路722由型号为SPX1521-3.3V的第二稳压器U6和第二电容C7、第四电容C9、第七电容C13组成；第一电容C6、第二电容C7和第五电容C11用于滤波作为滤波电路73，第六电容C12、第七电容C13、第三电容C8和第四电容C9用于改善负载瞬态响应，防止负载变化时，输出电压产生较大的变动；第一稳压器U5输出端输出+5V的稳定电压，第二稳压器U6输出3.3V稳定电压给单片机；电源电路还包括自恢复保险丝F1和型号为MYG-10K471的压敏电阻VAR1，可以理解的是上述各元器件的具体型号仅作为举例，在此不限定上述各元器件的具体型号。
具体的，上述第一过零比较电路1包括用于将正弦信号转换为第一方波的AD8611芯片。
第一过零比较电路1具体拓扑可以参考图3所示，以运放AD8611芯片U4为核心，其拥有单路4ns快速传播延迟性能，可过零检测产生尖锐的上升沿，适用于时钟恢复，AD8611芯片U4具有非常高的线性程度，失真程度小，能够有效的减少误差，提高灵敏度。
具体的，首先正弦信号先通过电阻R12进入AD8611芯片U4的-IN管脚，为AD8611芯片U4提供一个基准电压，由AD8611芯片U4的+IN与-IN电位进行比较后，高电平时输出+5V电压，低电平输出0V电压，将进入的正弦波信号转换为标准的方波，以利于之后数据的测量。
参见图4所示，本发明实施例中的数字频率计在上一实施例的基础上，还可以包括：第二过零比较电路4、PWM电路5和显示屏6；
第一过零比较电路1分别与PWM电路5和GAL模块电路2连接，第二过零比较电路4与GAL模块电路2连接，GAL模块电路2和PWM电路5分别与单片机3连接，GAL模块电路2与PWM电路5连接；
第二过零比较电路4，用于将输入的正弦信号转换为第二方波；
GAL模块电路2，还用于利用第一方波和第二过零比较电路4发送的第二方波，生成第三方波；
PWM电路5，用于去除第一方波的高次谐波，得到第一方波的第一直流分量；去除第三方波的高次谐波，得到第三方波的第二直流分量；
单片机3，还用于利用第一直流分量，得到正弦信号的占空比；利用第二直流分量，得到第三方波的占空比，利用第三方波的占空比和正弦信号的频率，得到正弦信号的时间间隔。
此外，还包括与单片机3相连，用于显示测量结果的显示屏6，测量结果包括正弦信号的频率、周期、占空比和时间间隔。
具体的，上述第二过零比较电路4，在将输入的正弦信号转换为初始第二方波的基础上，对初始第二方波进行放大，得到第二方波。
其中，上述第二过零比较电路4包括用于将正弦信号转换为初始第二方波的AD8611芯片和用于对初始第二方波进行放大，得到第二方波的AD8099芯片，AD8099芯片结构参见图5所示，U6为AD8099芯片，R15表示电阻。
具体的，上述GAL模块电路2利用相位检测功能，即异或处理单元，用于对第一方波和第二方波进行异或处理，得到全新的第三方波。
例如，参见图6所示，GAL模块电路2为CNT8芯片U3和CNT7+XOR芯片U5级联而成；CNT8芯片U3是一个8位计数器，而CNT7+XOR芯片U5包括一个7位计数器和一个异或门，两芯片级连组成的GAL20V8计数器是一个15位计数器加一个异或功能。
图6中，CLK为计数信号脉冲，给其加一个高电位则开始计数，利用定时器设定闸门宽度，例如，1s，当闸门时间1s过后单片机3给其一个0电位，计数器输出所记数字；若未到1s芯片所记的数达到104则15位引脚均显示高电平1，到达1s后数字会有溢出，此时运用二分法，通过定时器重新设定闸门宽度，找到未满104那部分，算出其时间，通过换算即可得出1s内所记数字，单片机3利用计数器的计数结果计算频率和周期。
其中，图6中/OE为使能输出，其低电平有效，RST为输出清零(高电平有效)，XOR_I1和XOR_I2为异或门输入，XOR_O为异或门的输出。
其中，即使将正弦信号转换为第一方波和第二方波，但第一方波和第二方波的频率仍与正弦信号相同，因此，单片机3利用第三方波的占空比和正弦信号的频率可以计算得到时间间隔，如关系式所示。
需要说明的是，PWM电路5在对方波去除高次谐波时，实现了数字信号到模拟信号的转换，单片机3利用AD采集功能采集直流分量这一模拟信号。
进一步的，参见图7所示，上述PWM电路5，包括多个依次连接的低通滤波器511和运算放大器U2A；多个依次连接的低通滤波器511的输出端与运算放大器U2A的同相输入端相连，运算放大器U2A的反相输入端与运算放大器U2A的输出端相连。
具体的，多个依次连接的低通滤波器511形成一个多级低通滤波电路51，以用于滤除输入多级低通滤波电路51的方波信号的高次谐波，得到滤除高次谐波的直流分量，即，将PWM调制的数模转换信号解调出来，实现从PWM到DAC的转换，直流分量从多个依次连接的低通滤波器511的输出端，即多级低通滤波电路51的输出端进入运算放大器U2A的同相输入端，再经由运算放大器U2A对信号的处理后，得到更加平整、不带毛刺的直流信号，并发送至单片机3。
其中，低通滤波器511的数量可以根据实际应用需求进行设定，例如，图7中采用5阶低通滤波器511，当然也可以采用3阶或4阶；运算放大器U2A可以采用LM258芯片。
参见图8所示，该方波的表达式为：
根据傅里叶原理，已知
令
则
已知
可得，变形后的方波表达式：
最后得到直流分量
式中，f(t)为方波，V0为高电平，k为零到正无穷的整数，T表示信号一个周期的时间，nT为信号的一个周期内的高电平起始时间，mT为一个周期内低电平的起始时间，an是n倍频余弦的系数(幅度)，bn是n倍频正弦的系数(幅度)，由于正余弦函数是周期函数，可以考虑任意一个周期函数表示成为一系列正余弦函数的和，变形后的方波表达式为三个部分相加，其中，第一部分为直流分量，第二部分为1次谐波分量，第三部分为高次谐波分量，由公式可知，直流分量与m成线性关系，并随着V0变化，所以将第二部分中的直流分量以外的谐波去除掉则可得到直流分量。
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
以上对本发明所提供的一种数字频率计进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种数字频率计，其特征在于，包括：依次相连的第一过零比较电路、GAL模块电路和单片机，所述GAL模块电路包括多个级联的GAL计数器；
所述第一过零比较电路，用于将输入的正弦信号转换为第一方波；
所述GAL模块电路，用于对所述第一过零比较电路发送的第一方波进行频率测量，得到频率脉冲信号；
所述单片机，用于利用所述频率脉冲信号，得到所述正弦信号的频率。
2.根据权利要求1所述的数字频率计，其特征在于，还包括：
用于对所述数字频率计供电的电源电路，包括电源、电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路。
3.根据权利要求1所述的数字频率计，其特征在于，所述第一过零比较电路包括用于将所述正弦信号转换为所述第一方波的AD8611芯片。
4.根据权利要求1所述的数字频率计，其特征在于，所述GAL模块电路包括两个级联的GAL20V8芯片。
5.根据权利要求1至4任一项所述的数字频率计，其特征在于，还包括：第二过零比较电路和PWM电路；
所述第一过零比较电路分别与所述PWM电路和所述GAL模块电路连接，所述第二过零比较电路与所述GAL模块电路连接，所述GAL模块电路和所述PWM电路分别与所述单片机连接，所述GAL模块电路与所述PWM电路连接；
所述第二过零比较电路，用于将输入的所述正弦信号转换为第二方波；
所述GAL模块电路，还用于利用所述第一方波和所述第二过零比较电路发送的第二方波，生成第三方波；
所述PWM电路，用于去除所述第一方波的高次谐波，得到所述第一方波的第一直流分量；去除所述第三方波的高次谐波，得到所述第三方波的第二直流分量；
所述单片机，还用于利用所述第一直流分量，得到所述正弦信号的占空比；利用所述第二直流分量，得到所述第三方波的占空比，利用所述第三方波的占空比和所述正弦信号的频率，得到所述正弦信号的时间间隔。
6.根据权利要求5所述的数字频率计，其特征在于，还包括：
与所述单片机相连，用于显示测量结果的显示屏，所述测量结果包括所述正弦信号的频率、周期、占空比和时间间隔。
7.根据权利要求5所述的数字频率计，其特征在于，所述GAL模块电路，包括：
异或处理单元，用于对所述第一方波和所述第二方波进行异或处理，得到所述第三方波。
8.根据权利要求5所述的数字频率计，其特征在于，所述PWM电路，包括多个依次连接的低通滤波器和运算放大器；多个依次连接的低通滤波器的输出端与所述运算放大器的同相输入端相连，所述运算放大器的反相输入端与所述运算放大器的输出端相连。
9.根据权利要求5所述的数字频率计，其特征在于，所述第二过零比较电路，具体用于将输入的所述正弦信号转换为初始第二方波，对所述初始第二方波进行放大，得到所述第二方波。
10.根据权利要求9所述的数字频率计，其特征在于，所述第二过零比较电路包括用于将所述正弦信号转换为初始第二方波的AD8611芯片和用于对所述初始第二方波进行放大，得到所述第二方波的AD8099芯片。
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