一种用于教学的时间与频率测量装置

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：

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。