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基于FPGA的高精度頻率測量系統設計及應用
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北京化工大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院

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國家重點(diǎn)研發(fā)計劃課題(2021YFB3200403)


Design and Application of High-Precision Frequency Measurement System Based on FPGA
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    摘要:

    針對石英晶體微天平(QCM)傳感器應用于氣體檢測需要高精度頻率測量,設計了一種基于FPGA的高精度頻率測量系統。提出了一種基于鎖相環(huán)的等精度頻率測量方法,降低了頻率測量的理論相對誤差。設計了頻率測量系統整體架構,根據整體架構完成了基于FPGA的高精度頻率測量系統硬件電路,設計了一種包括頻率測量、通訊、程序固化等模塊的嵌入式軟件,實(shí)現了基于FPGA的高精度頻率測量系統的集成,并將其應用于基于QCM的二氧化碳氣體濃度檢測。實(shí)驗結果表明,頻率系統測量絕對誤差不超過(guò)0.35Hz,誤差平均值為0.268Hz,最大相對誤差為3.5×10-8,頻率測量分辨率可以達到0.1Hz,該系統測量誤差較小,穩定性較好,在基于QCM的二氧化碳氣體濃度檢測中具有較好的應用前景。

    Abstract:

    To meet the need for high-precision frequency measurement in gas detection using Quartz Crystal Microbalance (QCM) sensors, a high-precision frequency measurement system based on FPGA is designed. A method of equal-precision frequency measurement based on phase-locked loop is proposed, reducing the theoretical relative error of frequency measurement. The overall architecture of the frequency measurement system is designed, and based on this architecture, the hardware circuit of the high-precision frequency measurement system using FPGA is completed. An embedded software is also designed, which includes modules for frequency measurement, communication, and firmware programming. This software enables the integration of the high-precision frequency measurement system based on FPGA and its application in carbon dioxide gas concentration detection using QCM. Experimental results show that the absolute error of the frequency system measurement does not exceed 0.35Hz, with an average error of 0.268Hz and a maximum relative error of 3.5×10-8. The frequency measurement resolution can reach 0.1Hz. The system exhibits low measurement error and good stability, indicating a promising application prospect in carbon dioxide concentration detection based on QCM.

    參考文獻
    相似文獻
    引證文獻
引用本文

楊奧,向星巖,王剛,陳偉,趙利強.基于FPGA的高精度頻率測量系統設計及應用計算機測量與控制[J].,2024,32(9):133-141.

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  • 收稿日期:2024-04-16
  • 最后修改日期:2024-04-29
  • 錄用日期:2024-04-30
  • 在線(xiàn)發(fā)布日期: 2024-10-08
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