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超高精度频率计的研究与设计

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摘要

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 近代测频技术的发展

1.3 论文研究内容及结构

第二章 高精度频率测量技术的研究

2.1 示波法

2.2 差频法

2.3 直接计数法

2.4 游标法

2.5 延迟线内插技术

第三章 基于TDC与FPGA高精度频率测量方法的原理

3.1.2 TDC-GP22时间数字变换原理及功能简介

3.1.3 芯片配置及数据读出

3.2 测量方案选择及可行性分析

3.2.1 精密时间间隔测量方案

3.2.2 系统精度分析

第四章 高精度频率测量系统硬件设计

4.1 系统硬件设计方案

4.2 电源电路

4.3 前端调理电路设计

4.3.1 前端放大电路

4.3.2 甄别电路

4.4 TDC-GP22时间测量电路设计

4.5 PCB布局设计

第五章 系统控制固件及软件设计

5.1 系统固件设计

5.2 系统软件设计

5.2.1 MCU软件部分

5.2.2 数据分析软件部分

第六章 系统性能测试及分析

参考文献

攻读学位期间相关项目获奖情况

致谢

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摘要

频率是电信号的特征之一,与振幅、平均电流或电压等特性相比,它的测量值是最简单且最准确的,故许多高精度传感器是基于将测量的物理值转换为频率值的原理。但传统的频率测量方法,譬如直接计数法难以满足原子磁力仪测频技术中对于采集速度和采集精度的要求。
  本文的目的是设计一款频率计,用于采集高灵敏度标量原子磁力仪输出的频率信号,测量的频率范围约为70kHz至350kHz,分辨率优于0.35mHz,同时能够保证比较理想的数据更新率。测量方案基于测周期法,利用时间内插原理将时间间隔的测量分为粗测与细测两个过程。系统采用STM32作为整个电路的控制中心,完成TDC寄存器配置、数据处理、SPI通信以及LCD显示等功能;FPGA用于提供触发TDC启动/停止测量的HIT信号,同时在门限时间内做粗计数,扩大了时间测量的范围;TDC-GP22精确测量在起始和结束段存在的时间偏差以消除±1参考信号的计数误差。
  论文首先阐述了高分辨率频率测量系统的应用背景及近代测频技术的发展现状;然后介绍了多种时频测量方法,分析其各自的优缺点,并以TDC-GP22为例做重点说明;最后给出该系统的硬件设计思路和软件实现方法,详细描述了设计过程中的两种测量方案,其中改进方案解决了TDC时间-数字转换芯片普遍存在的“死时间”的问题。测试结果表明,当门限时间为50ms时,频率测量的RMS值小于0.003Hz,相当于磁场值0.0008575nT,若选用稳定度更优的晶振,则可以满足更高精度的频率测量需求,设计是可行的,并且还有进一步改善的可能。

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