CN115047798A - 一种高精度频率信号源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度频率信号源，包括STM32控制模块、RS232串口、触摸显示器、DDS模块、FPGA模块、供电模块；所述的FPGA模块、触摸显示器、DDS模块分别与所述的STM32控制模块连接，所述的供电模块与所述的STM32控制模块、RS232串口、触摸显示器、DDS模块和FPGA模块连接；所述的触摸显示器用于对STM32控制模块进行频率参数设置，STM32控制模块接收到频率设置命令后，启动与DDS模块的通信功能，实现对DDS模块输出频率的设置；FPGA模块接收到DDS模块输出的频率信号时，根据STM32模块控制指令实现对DDS模块输出频率的分频功能，方波频率信号由FPGA模块的输出。

Description

一种高精度频率信号源

技术领域

本发明涉及频率源领域，具体是一种高精度频率信号源。

背景技术

随着电子技术的高速发展，标准频率源在航天、通信、导航、雷达、仪表、计量检测等重要领域的应用越来越广泛。在航空航天领域，高精度频率源可用于航空发动机振动信号模拟系统研究。在雷达设备研制中，高精度频率源可提供多参数可调节标准频率信号。在电源系统设计中，高精度频率源可替代PWM专用芯片来产生高频信号，而且具有高稳定性、高精度性的优点,还可避免频率跟踪慢以及振动系统失谐等问题。在计量检测领域，高精度频率源可为频率测量装置提供高分辨率、高稳定度的频率信号，实现对频率测量装置的检测校准。

由于信号发生器在时间和频率检测校准工作中有着重要的应用，尤其是在时钟以及晶振校准领域。时间频率校准技术是电子测量技术的重要领域，高精度时间频率校准技术与工程技术领域密切相关。目前，应用于时间校准领域的信号发生器的频率分辨率大多只能控制到1uHz，尤其是在频率低于100Hz的时候，这一问题限制了频率信号发生器的应用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种高精度频率信号源，包括STM32控制模块、RS232串口、触摸显示器、DDS模块、FPGA模块、供电模块；所述的FPGA模块、触摸显示器、DDS模块分别与所述的STM32控制模块连接，所述的供电模块与所述的STM32控制模块、RS232串口、触摸显示器、DDS模块和FPGA模块连接；

所述的触摸显示器用于对STM32控制模块进行频率参数设置，STM32控制模块接收到频率设置命令后，启动与DDS模块的通信功能，实现对DDS模块输出频率的设置；

FPGA模块接收到DDS模块输出的频率信号时，根据STM32模块控制指令实现对DDS模块输出频率的分频功能，方波频率信号由FPGA模块的输出。

还包括限流电阻模块，所述的限流电阻模块设置在STM32控制模块与DDS模块之间。

还包括原子钟模块，所述的原子钟模块与所述的DDS模块连接。

应用于高精度频率信号源的高精度频率信号源控制方法，包括如下步骤：

步骤一，对高精度频率信号源进行初始化；

步骤二，获取输入的频率参数，判断输入的频率是否大于100kHz，若是，则进入步骤三，若否，则进入步骤四；

步骤三，通过DDS模块和FPGA模块输出用户设置的频率信号，进入步骤五；

步骤四，STM32模块控制DDS模块输出倍频信号，然后控制FPGA模块对DDS模块的倍频信号进行分频后输出用户所设置的频率信号；

步骤五，获取是否重新设置频率，若是，则返回步骤二；若否，则完成频率输出。

进一步的，所述的对高精度频率信号源进行初始化包括如下过程：高精度频率信号发生装置上电后进行STM32主控模块初始化设置，FPGA分频电路同时进行初始化，然后系统对串口RS232进行通信功能初始化，对AD9854模块进行初始化，完成对高精度频率信号源进行初始化。

进一步的，所述的STM32模块控制DDS模块输出倍频信号，然后控制FPGA模块对DDS模块的倍频信号进行分频后输出用户所设置的频率信号包括如下过程：

步骤一，STM32控制模块根据用户在触摸屏上输入的频率参数f计算出DDS模块输出的频率值f×N，其中N为倍频参数；

步骤二，STM32控制模块启动与DDS模块的通信功能，通过并行数据传输方式控制DDS模块输出频率为f×N的方波信号。

步骤三，STM32控制模块启动与FPGA模块的通信功能，FPGA模块设置分频参数N，同时FPGA模块接收到DDS模块输出的频率信号，根据分频参数N对方波信号f×N进行分频，分频后的方波频率信号f由FPGA模块进行输出。

本发明的有益效果是：进一步提升了函数信号发生器在低频时的频率分辨率以及稳定度，使频率源输出的可控频率的有效位数达到9位以上有效数字。

附图说明

图1为一种高精度频率信号源的原理示意图；

图2为高精度频率信号源控制方法的流程示意图；

图3为高频信号发生电路设计原理图；

图4为并行输入I/O的工作时序图；

图5为分频控制电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。需要说明的是，术语“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。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

如图1所示，一种高精度频率信号源，包括STM32控制模块、RS232串口、触摸显示器、DDS模块、FPGA模块、供电模块；所述的FPGA模块、触摸显示器、DDS模块分别与所述的STM32控制模块连接，所述的供电模块与所述的STM32控制模块、RS232串口、触摸显示器、DDS模块和FPGA模块连接；

所述的触摸显示器用于对STM32控制模块进行频率参数设置，STM32控制模块接收到频率设置命令后，启动与DDS模块的通信功能，实现对DDS模块输出频率的设置；

FPGA模块接收到DDS模块输出的频率信号时，根据STM32模块控制指令实现对DDS模块输出频率的分频功能，方波频率信号由FPGA模块的输出。

还包括限流电阻模块，所述的限流电阻模块设置在STM32控制模块与DDS模块之间。

还包括原子钟模块，所述的原子钟模块与所述的DDS模块连接。

应用于高精度频率信号源的高精度频率信号源控制方法，包括如下步骤：

步骤一，对高精度频率信号源进行初始化；

步骤二，获取输入的频率参数，判断输入的频率是否大于100kHz，若是，则进入步骤三，若否，则进入步骤四；

步骤三，通过DDS模块和FPGA模块输出用户设置的频率信号，进入步骤五；

步骤四，STM32模块控制DDS模块输出倍频信号，然后控制FPGA模块对DDS模块的倍频信号进行分频后输出用户所设置的频率信号；

步骤五，获取是否重新设置频率，若是，则返回步骤二；若否，则完成频率输出。

所述的对高精度频率信号源进行初始化包括如下过程：高精度频率信号发生装置上电后进行STM32主控模块初始化设置，FPGA分频电路同时进行初始化，然后系统对串口RS232进行通信功能初始化，对AD9854模块进行初始化，完成对高精度频率信号源进行初始化。

所述的STM32模块控制DDS模块输出倍频信号，然后控制FPGA模块对DDS模块的倍频信号进行分频后输出用户所设置的频率信号包括如下过程：

具体的，本发明研制了一种高精度频率信号发生装置，该装置设有外部触摸屏作为人机交互界面，STM32控制模块通过RS232串口与外部触摸屏相连接，实现数据收发功能。

用户通过外部触摸屏对STM32控制模块进行频率参数设置，STM32控制模块接收到频率设置命令后，启动与DDS模块的通信功能，实现对DDS模块输出频率的设置。同时FPGA模块接收到DDS模块输出的频率信号时，根据STM32模块控制指令实现对DDS模块输出频率的分频功能，最终，高精度的方波频率信号由FPGA模块的一个管脚进行输出。

图1所示为高精度频率信号发生装置的原理图。其中，供电模块的作用是将电网220V交流电转换成系统各个模块所需的直流电压。

图2所示为该装置的工作流程图。首先，高精度频率信号发生装置上电后进行STM32主控模块初始化设置，FPGA分频电路同时进行初始化，然后系统对串口RS232进行通信功能初始化，接着对AD9854模块进行初始化，以上初始化工作完成后，

该装置等待用户在触摸屏上设置频率参数，如果所设置频率等于或高于100kHz，则通过DDS模块和FPGA模块输出用户设置的频率信号，否则，主控单元STM32模块控制DDS模块进行倍频工作，然后控制FPGA模块对DDS模块的倍频信号进行分频处理后输出用户所设置的频率信号。如果用户需要重新设置信号频率，则系统将重复以上过程。

根据提出的信号倍频及分频理论，本发明设计了一种高频信号发生电路来产生需要的高精度高频信号，该电路产生的高频信号的频率范围为100kHz至10MHz。在高频信号发生电路设计中，

采用ARM处理器控制DDS芯片的方案来产生高频信号，为了保证该信号发生电路输出频率的准确度，应用铷原子钟为DDS芯片提供外部参考频率，该信号发生电路产生的高频信号经过后级的FPGA分频模块处理后，可以输出频率为1Hz至10MHz的高精度方波信号，且频率分辨率对于100Hz以下的低频信号可达第九位有效数字。

为了实现对DDS芯片的驱动和控制，系统采用了STM32F407处理器作为MCU主控单元，该芯片采用Cortex M4内核，并具有192KB SRAM、1024KB FLASH、6个串口、以及112个通用IO口等，运行频率可达168Mhz，能够满足驱动DDS芯片的控制需求。

同时，该芯片的其中一个串口用于与触摸屏的通信，实现接收用户指令的功能，便于人机交互。

由于DDS芯片在频率合成方面具有良好的带宽、相位连续性以及高分辨力的优势，可作为稳定的模拟信号源，系统采用ADI公司设计的高端DDS芯片AD9854来产生频率范围为100kHz至10MHz的方波信号。该芯片的内部时钟速率可达300MHz，具有双集成12位数模转换器(DACs)、超高速比较器，4×到20×可编程参考时钟乘法器、双48位可编程频率寄存器、双14位可编程相位偏移寄存器、12位可编程调幅器和开关输出形状的键控功能，当参考时钟源采用外部原子钟提供标准时钟信号时，AD9854通过48位频率累加器和内部位相位累加器能够产生高稳定度的频率可编程的方波信号。

图3显示了本项目设计的高频信号发生电路原理图。可以看出，STM32控制单元的普通I/O接口通过限流电阻网络与DDS模块的控制接口、地址接口以及数据接口相连，将DDS模块的S/P SELECT接口设置为高电平实现对DDS模块的并行编程模式(逻辑高)。DDS模块中的REFCLK接口为单端参考时钟输入，这里采用外部铷原子钟作为标准时钟信号驱动DDS模块，为了减小干扰，保障外部参考时钟的频率稳定度，外部原子钟提供的10MHz标准频率信号通过SMA接口与DDS模块相连。

在高精度频率发生装置中，AD9854模块的输出是由STM32模块发出的指令写入AD9854模块相应的寄存器来控制的。为了简化对DDS模块的频率控制功能，该装置采用STM32模块与DDS模块并行编程的接口模式。采用并行编程的接口模式时，需要将AD9854芯片的S/P SELECT管脚设置为高电平，将并行I/O模式激活。AD9854芯片的I/O端口兼容工业标准微控制器。它的I/O端口引脚包括6个地址位、8个双向数据位和写/读控制的输入端口。

图4所示为AD9854模块的并行输入I/O的工作时序图。根据该图可知，STM32模块输出低电平给

引脚时可将控制指令写入AD9854芯片，对其进行编程控制。

高精度频率发生器的其中一个核心模块分频控制电路采用Cyclone的FPGA芯片来实现。该FPGA芯片能满足低成本设计需求，具有用户可编程I/O接口，在并行计算方面具有很大优势。本发明采用EP4CE10芯片搭建DDS模块的分频控制电路，实现对DDS模块输出信号的分频功能，将高稳定度的高频信号变为低频信号，产生的低频方波信号的频率能够控制在第9位有效数字，提高了低频信号的频率分辨率和准确度。

图5所示为分频控制电路原理图。FPGA模块通过普通I/O口接收来自上位机STM32模块的分频指令，通过SMA接口与DDS模块的输出频率端口进行连接，将分频控制电路的驱动时钟设置为50Mhz，实现对100kHz∽1MHz信号的分频功能，对于高于1MHz的信号不进行分频处理。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本发明所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本发明所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种高精度频率信号源，其特征在于，包括STM32控制模块、RS232串口、触摸显示器、DDS模块、FPGA模块、供电模块；所述的FPGA模块、触摸显示器、DDS模块分别与所述的STM32控制模块连接，所述的供电模块与所述的STM32控制模块、RS232串口、触摸显示器、DDS模块和FPGA模块连接；

所述的触摸显示器用于对STM32控制模块进行频率参数设置，STM32控制模块接收到频率设置命令后，启动与DDS模块的通信功能，实现对DDS模块输出频率的设置；

FPGA模块接收到DDS模块输出的频率信号时，根据STM32模块控制指令实现对DDS模块输出频率的分频功能，方波频率信号由FPGA模块的输出。

2.根据权利要求1所述的一种高精度频率信号源，其特征在于，还包括限流电阻模块，所述的限流电阻模块设置在STM32控制模块与DDS模块之间。

3.根据权利要求1所述的一种高精度频率信号源，其特征在于，还包括原子钟模块，所述的原子钟模块与所述的DDS模块连接。

4.应用于权利要求1-3任一所述的高精度频率信号源的高精度频率信号源控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，对高精度频率信号源进行初始化；

步骤二，获取输入的频率参数，判断输入的频率是否大于100kHz，若是，则进入步骤三，若否，则进入步骤四；

步骤三，通过DDS模块和FPGA模块输出用户设置的频率信号，进入步骤五；

步骤四，STM32模块控制DDS模块输出倍频信号，然后控制FPGA模块对DDS模块的倍频信号进行分频后输出用户所设置的频率信号；

步骤五，获取是否重新设置频率，若是，则返回步骤二；若否，则完成频率输出。

5.根据权利要求4所述的高精度频率信号源控制方法，其特征在于，所述的对高精度频率信号源进行初始化包括如下过程：高精度频率信号发生装置上电后进行STM32主控模块初始化设置，FPGA分频电路同时进行初始化，然后系统对串口RS232进行通信功能初始化，对AD9854模块进行初始化，完成对高精度频率信号源进行初始化。

6.根据权利要求4所述的高精度频率信号源控制方法，其特征在于，所述的STM32模块控制DDS模块输出倍频信号，然后控制FPGA模块对DDS模块的倍频信号进行分频后输出用户所设置的频率信号包括如下过程：

步骤一，STM32控制模块根据用户在触摸屏上输入的频率参数f计算出DDS模块输出的频率值f×N，其中N为倍频参数；

步骤二，STM32控制模块启动与DDS模块的通信功能，通过并行数据传输方式控制DDS模块输出频率为f×N的方波信号。

步骤三，STM32控制模块启动与FPGA模块的通信功能，FPGA模块设置分频参数N，同时FPGA模块接收到DDS模块输出的频率信号，根据分频参数N对方波信号f×N进行分频，分频后的方波频率信号f由FPGA模块进行输出。

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