基于FPGA的频率测量系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于FPGA的频率测量系统，输入信号经比较器模块后得到与输入信号同频同相的矩形波信号，ADC模块对输入信号进行采集后采用FFT分析法初步确定输入信号的频率，参考时钟选择模块用于根据初步确定的频率选择一个参考时钟clk_fre作为滤毛刺模块中滤除毛刺成分的时钟源，滤毛刺模块对矩形波信号中的毛刺进行滤除，频率测量模块基于测频法或测周法对滤除后的信号进行测量得到脉冲计数结果，上位机基于脉冲计数结果计算得到输入信号的频率测量结果。本发明专利技术首先通过FFT分析法粗略计算出输入信号的基波频率，经过滤除毛刺后通过测频法或测周法精确测量出信号的频率，从而在信号中存在谐波成分时对基波频率进行准确测量。

Frequency measurement system based on FPGA

【技术实现步骤摘要】
基于FPGA的频率测量系统
本专利技术属于测试
，更为具体地讲，涉及一种基于FPGA的频率测量系统。
技术介绍
当今社会，电能已经和人类生活息息相关。特别是工业领域，越来越多的电力电子设备应用到其中，电力电子整流设备、电气化机车、电弧炉、交流电机以及其他具有非线性特性的大功率用电设备大量涌入电网，使得电力系统中的电网谐波问题日益严重，并且各种非线性、冲击性设备的接入，也将会给电网带来三相电压波动、波形畸变、无功功率增大等负面影响。这些问题正受到电力部门和用户越来越广泛的关注。由于连接在电网中的大量非线性用电设备的影响，电网中存在着大量的谐波，这给频率测量带来了不小的挑战。只有对电网的电力参数进行有效和精确地监测和分析，才能制定有效的措施对电网的电能质量问题进行改善。功率分析仪能够进行各种功率参数的测量，包括频率测量、FFT(fastFouriertransform，快速傅里叶变换)运算、谐波分析等。在现有的技术中，功率分析仪进行频率测量主要有三种方式：第一种方式：测频法。测频法中将输入信号经过放大整形电路形成计数的窄脉冲，在给定的时间闸门内测得被测信号的脉冲个数，通过脉冲个数计算出输入信号的频率。当被测信号频率较低时，该方法测量误差较大，因此测频法适合测量高频信号。当输入的基波信号中含有谐波成分时，输入信号经过整形电路后输出的窄脉冲会因为谐波的存在变得密集，脉冲的计数值会变大，测频结果会变大，因此当基波中存在谐波成分时，测频法不能够适用。第二种方式：测周法。测周法通过测量信号周期换算出频率。输入信号经过放大整形电路后输出一个与被测信号周期时间相同长度的闸门时间。计数器的在给定的闸门时间内对高频窄脉冲进行计数，通过脉冲个数计算出输入信号的周期，进而计算出频率。当被测信号频率较高时，该方法测量误差较大，因此测频法适合测量低频信号。当输入的基波信号中含有谐波成分时，输入信号经过整形电路后输出的闸门时间会变短，脉冲的计数值会变小，测频结果会变大，因此当基波中存在谐波成分时，测周法同样不能够适用。第三种方式：FFT分析法。该方法在FPGA(Field－ProgrammableGateArray，即现场可编程门阵列)中建立FFT的IP核，将采样得到的N个数据点输入到IP核后，IP核输出N点的频谱图像。其中，频谱图像中数值最大的谱线对应的频率为基频。该方法优点是可以通过频谱图像看出基波频率和谐波频率，缺点是测量结果受到频率分辨率的限制，频率的测量精度较低，且FFT运算需要较长时间，测量值的刷新时间较长。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于FPGA的频率测量系统，首先通过FFT分析法粗略计算出输入信号的基波频率，经过滤除毛刺后通过测频法或测周法精确测量出信号的频率，从而在信号中存在谐波成分时对基波频率进行准确测量。为实现上述专利技术目的，本专利技术基于FPGA的频率测量系统包括比较器模块，ADC模块，FFT运算模块，参考时钟选择模块，滤毛刺模块，频率测量模块和上位机，其中FFT运算模块，参考时钟选择模块，滤毛刺模块和频率测量模块在FPGA中实现，其中：比较器模块用于对经过交流耦合后的输入信号进行过0比较，得到与输入信号同频同相的矩形波信号CARD_CNV，并将矩形波信号CARD_CNV输出至滤毛刺模块；ADC模块用于对同一输入信号进行采集，将采集得到的包含N个采样点的采集数据序列ADC_DATA发送至FFT运算模块；FFT运算模块采用FFT分析法初步确定输入信号的频率，具体方法为：将接收到的采集数据序列ADC_DATA进行FFT运算，输出N点的频谱序列，记每一点的频谱包括实部Re[k]和虚部Im[k]两部分，k＝1,2,…,N，采用如下公式计算得到k点处的频率能量X[k]：找出频率能量X[k]的最大值和其对应的点序号kmax，将点序号kmax发送给参考时钟选择模块；参考时钟选择模块用于选择一个参考时钟clk_fre作为滤毛刺模块中滤除毛刺成分的时钟源，其中参考时钟clk_fre的频率fref以及对应的掩码值m需要满足的条件为f1表示基波频率，f2表示二次谐波频率，Δf表示频率分辨率，Δf＝fs/N；滤毛刺模块用于根据掩码值m和参考时钟clk_fre将矩形波信号CARD_CNV中的毛刺滤除，得到矩形波信号CARD_FREQ并发送至频率测量模块；频率测量模块用于基于测频法或测周法对矩形波信号CARD_FREQ进行测量，得到脉冲计数结果COUNT_T并发送给上位机；上位机在收到脉冲计数结果COUNT_T后，根据频率测量模块中所应用的测频法或测周法对应的计算公式，计算得到矩形波信号CARD_FREQ的频率，从而得到频率测量结果。本专利技术基于FPGA的频率测量系统，输入信号经比较器模块后得到与输入信号同频同相的矩形波信号，ADC模块对输入信号进行采集后采用FFT分析法初步确定输入信号的频率，参考时钟选择模块用于根据初步确定的频率选择一个参考时钟clk_fre作为滤毛刺模块中滤除毛刺成分的时钟源，滤毛刺模块对矩形波信号中的毛刺进行滤除，频率测量模块基于测频法或测周法对滤除后的信号进行测量得到脉冲计数结果，上位机基于脉冲计数结果计算得到输入信号的频率测量结果。本专利技术是将现有的频率测量方法结合起来，首先通过FFT分析法得到一个基波的大致频率，基于该大致频率设置滤除毛刺的掩码值和参考时钟频率，再滤除毛刺得到一个与输入信号同频同相的矩形波信号，最后通过测周法或测频法得到输入信号的准确频率，从而在信号中存在谐波成分时对基波频率进行准确测量。附图说明图1是本专利技术基于FPGA的频率测量系统的具体实施方式结构图；图2是本专利技术中毛刺产生及测频示意图；图3是本专利技术毛刺滤除的原理示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本专利技术。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本专利技术的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。实施例图1是本专利技术基于FPGA的频率测量系统的具体实施方式结构图。如图1所示，本专利技术基于FPGA的频率测量系统包括比较器模块1，ADC模块2，FFT运算模块3，参考时钟选择模块4，滤毛刺模块5，频率测量模块6和上位机7，其中FFT运算模块3，参考时钟选择模块4，滤毛刺模块5和频率测量模块6在FPGA中实现。下面分别对各个模块进行详细说明。比较器模块1用于对经过交流耦合后的输入信号进行过0比较，得到与输入信号同频同相的矩形波信号CARD_CNV，并将矩形波信号CARD_CNV输出至滤毛刺模块5。若输入信号为单一频率的正弦波，则比较器模块1输出即为与输入正弦波同频同相的方波，即在一个周期内高电平和低电平时间各占50％。ADC模块2用于对同一输入信号进行采集，将采集得到的包含N个采样点的采集数据序列ADC_DATA发送至FFT运算模块3。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于FPGA的频率测量系统，其特征在于包括比较器模块，ADC模块，FFT运算模块，参考时钟选择模块，滤毛刺模块，频率测量模块和上位机，其中FFT运算模块，参考时钟选择模块，滤毛刺模块和频率测量模块在FPGA中实现，其中：/n比较器模块用于对经过交流耦合后的输入信号进行过0比较，得到与输入信号同频同相的矩形波信号CARD_CNV，并将矩形波信号CARD_CNV输出至滤毛刺模块；/nADC模块用于对同一输入信号进行采集，将采集得到的包含N个采样点的采集数据序列ADC_DATA发送至FFT运算模块；/nFFT运算模块采用FFT分析法初步确定输入信号的频率，具体方法为：将接收到的采集数据序列ADC_DATA进行FFT运算，输出N点的频谱序列，记每一点的频谱包括实部Re[k]和虚部Im[k]两部分，k＝1,2,…,N，采用如下公式计算得到k点处的频率能量X[k]：/n

【技术特征摘要】
1.一种基于FPGA的频率测量系统，其特征在于包括比较器模块，ADC模块，FFT运算模块，参考时钟选择模块，滤毛刺模块，频率测量模块和上位机，其中FFT运算模块，参考时钟选择模块，滤毛刺模块和频率测量模块在FPGA中实现，其中：
比较器模块用于对经过交流耦合后的输入信号进行过0比较，得到与输入信号同频同相的矩形波信号CARD_CNV，并将矩形波信号CARD_CNV输出至滤毛刺模块；
ADC模块用于对同一输入信号进行采集，将采集得到的包含N个采样点的采集数据序列ADC_DATA发送至FFT运算模块；
FFT运算模块采用FFT分析法初步确定输入信号的频率，具体方法为：将接收到的采集数据序列ADC_DATA进行FFT运算，输出N点的频谱序列，记每一点的频谱包括实部Re[k]和虚部Im[k]两部分，k＝1,2,…,N，采用如下公式计算得到k点处的频率能量X[k]：

【专利技术属性】
技术研发人员：许波，程玉华，陈凯，杨云鹏，王伊凡，张硕，韩文强，赵佳，孔子薇，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51