示波记录仪频率与温度模块研究与设计

摘要

在电力电子工业生产过程中，我们时常需要实时监测、分析和记录产品的频率、转速、温度、电压等物理量的变化，这样有助于保障产品的质量安全。传统的仪器仪表无法满足多种物理量信号的采集与处理、波形的显示与分析和长时间的记录等需求。本课题所研制的示波记录仪是一款可支持多种物理量信号波形测量、分析和记录的综合电子测量设备，能有效满足上述需求。其中，可插拔模块是示波记录仪实现多种物理量信号采集和处理主要核心部分之一。本文主要研究的是设计可插拔模块来实现高分辨率频率和与频率相关多个物理量的采集与处理，以及多个通道的宽范围温度或小电压信号的采集与处理。主要研究内容如下： 1、从示波记录仪整体方案出发，根据指标需求选择相应的测量方法来设计高分辨率频率模块和多通道温度电压模块。结合时延法和直接测周法，采用TDC+FPGA方案来设计高分辨率频率模块。基于热电偶温度测量法来设计多通道温度电压模块。 2、高分辨率频率模块设计。设计模拟通道电路将被测信号转换为方波信号。采用TDC+FPGA方案设计高分辨率测量模块，通过该模块实现了高分辨率的频率测量（≤625ps）。高分辨率测量模块测量得到的基本参数经多物理量运算模块运算后，可得到与频率相关多个物理量，实现与频率相关多个物理量的测量。 3、多通道温度电压模块设计。设计16通道温度电压扫描模块结合FPGA控制来进行轮询采样，从而实现16个通道温度或电压测量。16通道温度电压扫描模块不仅支持8种类型热电偶，还具备热电偶断线检测和冷端温度测量功能。设计模拟通道电路把热电偶将温度转换成的热电动势或小电压信号调理为合适电压后再进入ADC采样。根据电压温度转换算法把电压值转换为对应温度值，实现宽范围的温度测量（-200℃～1800℃）。 最终，测试与验证结果表明，高分辨率频率模块和多通道温度电压模块都满足设计需求。

目录

声明

第一章绪论

1.1课题研究背景及意义

1.2国内外发展现状

1.3本文主要研究内容及结构安排

1.3.1主要研究内容

1.3.2论文结构安排

第二章示波记录仪整体及模块方案设计

2.1示波记录仪整体方案介绍

2.2高分辨率频率模块研究与设计

2.2.1高分辨率频率模块测量方法研究

2.2.2高分辨率频率模块方案设计

2.3多通道温度电压模块研究与设计

2.3.1多通道温度电压模块测量方法研究

2.3.2多通道温度电压模块方案设计

2.4本章小结

第三章高分辨率频率模块设计

3.1模拟通道电路设计

3.1.1模拟通道电路整体设计

3.1.2输入耦合电路设计

3.1.3可变增益网络设计

3.1.4带宽限制电路设计

3.1.5比较电路设计

3.2 FPGA通道控制

3.2.1 DAC控制模块

3.2.2模拟通道控制模块

3.3高分辨率测量模块设计

3.3.1 TDC测量原理

3.3.2高分辨率测量模块设计

3.3.3高分辨率测量模块工作流程

3.4多物理量运算模块设计

3.5 FPGA配置电路设计

3.6数字信号隔离设计

3.7高分辨率频率模块电源设计

3.8本章小结

第四章多通道温度电压模块设计

4.1 16通道温度电压扫描模块设计

4.1.1断线检测和通道控制电路设计

4.1.2冷端温度测量电路设计

4.2模拟通道电路设计

4.2.1模拟通道电路整体设计

4.2.2耦合与衰减电路设计

4.2.3可变增益电路设计

4.2.4带宽限制电路设计

4.2.5 ADC驱动电路设计

4.3 FPGA通道控制

4.3.1温度电压扫描控制模块

4.3.2 ADC控制模块

4.3.3模拟通道控制模块

4.4电压温度转换算法

4.5 FPGA配置电路设计

4.6数字信号隔离设计

4.7多通道温度电压模块电源设计

4.8本章小结

第五章模块测试与验证

5.1模块测试平台

5.2模块验证与调试

5.2.1 FPGA通道控制验证

5.2.2模块模拟通道电路调试

5.3高分辨率频率模块性能测试与验证

5.3.1高分辨率测量模块验证

5.3.2多物理量运算模块验证

5.3.3高分辨率频率模块性能测试与验证

5.4多通道温度电压模块性能测试与验证

5.4.1热电偶断线检测功能验证

5.4.2 16通道测量功能验证

5.4.3多通道温度电压模块性能测试与验证

5.5本章小结

第六章总结与展望

6.1本文总结

6.2展望

致谢

参考文献

攻硕期间取得的成果