重慶郵電大學(xué)光電工程學(xué)院 牟洪江 楊 虹

重慶信息技術(shù)學(xué)院經(jīng)貿(mào)學(xué)院 王 玲

1.引言

數(shù)字頻率計(jì)是通訊設(shè)備、計(jì)算機(jī)、電子產(chǎn)品等生產(chǎn)領(lǐng)域不可缺少的測(cè)量?jī)x器。由于硬件設(shè)計(jì)的器件增加，使設(shè)計(jì)更加復(fù)雜，可靠性變差，延遲增加，測(cè)量誤差變大。通過使用EDA技術(shù)對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行描述，運(yùn)用VHDL語言，使系統(tǒng)簡(jiǎn)化，提高整體的性能和可靠性。采用VHDL編程設(shè)計(jì)的數(shù)字頻率計(jì)，除了被測(cè)信號(hào)的整形部分，鍵輸入和數(shù)碼顯示以外，其他都在一片F(xiàn)PGA上實(shí)現(xiàn)，從而讓整個(gè)系統(tǒng)非常精簡(jiǎn)，讓其具有靈活的現(xiàn)場(chǎng)更改性，在不改變硬件電路的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步改進(jìn)提高系統(tǒng)的性能，使數(shù)字頻率計(jì)具有高速，精確度高，可靠性強(qiáng)，抗干擾等優(yōu)點(diǎn)，為數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)一步的集成創(chuàng)造了條件[1]。

2.數(shù)字頻率計(jì)的工作原理

頻率測(cè)量方法中，常用的有直接測(cè)頻法、倍頻法和等精度測(cè)頻法[2]。其中直接測(cè)頻法是依據(jù)頻率的含義把被測(cè)頻率信號(hào)加到閘門的輸入端，只有在閘門開通時(shí)間T（以ls計(jì)）內(nèi)，被測(cè)（計(jì)數(shù)）的脈沖送到十進(jìn)制計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)。直接測(cè)頻法比其他兩個(gè)方案更加簡(jiǎn)單方便可行，直接測(cè)頻法雖然在低頻段測(cè)量時(shí)誤差較大，但在低頻段我們可以采用直接測(cè)周法加測(cè)量，這樣就可以提高測(cè)量精度了。直接周期測(cè)量法是用被測(cè)周期信號(hào)直接控制計(jì)數(shù)門控電路，使主門開放時(shí)間等于Tx，時(shí)標(biāo)為Ts的脈沖在主門開放時(shí)間進(jìn)入計(jì)數(shù)器。設(shè)在Tx期間計(jì)數(shù)值為N，可以根據(jù)Tx＝N×Ts來算得被測(cè)信號(hào)周期。因此本文采用低頻測(cè)周，高頻測(cè)頻的方法來提高精度，減小誤差[3]。

3.主要功能模塊的實(shí)現(xiàn)

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的控制器是由狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)，通過在不同測(cè)量檔位，選擇合理的時(shí)基信號(hào)頻率降低誤差，確定各狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件和狀態(tài)名，采用低頻檔位測(cè)周，高頻檔位測(cè)頻的方法。20MHz晶振送入分頻器，分出各檔時(shí)基信號(hào)和其它模塊所需的觸發(fā)信號(hào)，分頻器將各檔時(shí)基信號(hào)傳給狀態(tài)機(jī)，同時(shí)待測(cè)信號(hào)進(jìn)入狀態(tài)機(jī)，狀念機(jī)進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換，將量程溢出信號(hào)和狀態(tài)顯示信號(hào)表征在發(fā)光二極管上。如圖表1所示。

表1 頻率量程狀態(tài)

3.1 狀態(tài)機(jī)模塊

首先對(duì)系統(tǒng)復(fù)位，如果此時(shí)狀態(tài)機(jī)的初始狀態(tài)為Fl00k，若超量程信號(hào)送入狀態(tài)機(jī)，則狀態(tài)轉(zhuǎn)換到FlM，如果仍有超量程信號(hào)則狀態(tài)轉(zhuǎn)換到F10M，如果仍有超量程信號(hào)則狀態(tài)轉(zhuǎn)換到F100M，如果還有超量程信號(hào)則狀態(tài)轉(zhuǎn)換到Overflow H產(chǎn)生高溢出信號(hào)；若欠量程信號(hào)送人狀態(tài)機(jī)，則狀態(tài)轉(zhuǎn)換到P1ms，如果有超量程信號(hào)則狀態(tài)轉(zhuǎn)換到P10ms，如果仍有超量程信號(hào)則狀態(tài)轉(zhuǎn)換到P100ms，如果仍有超量程信號(hào)則狀態(tài)轉(zhuǎn)換到P1s，如果還有超量程則狀態(tài)轉(zhuǎn)換到OverflowL產(chǎn)生低溢出信號(hào)[4]。如圖1所示。

圖3 計(jì)數(shù)器

3.2 計(jì)數(shù)器模塊

在“待計(jì)數(shù)信號(hào)”的兩個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成計(jì)數(shù)與控制信號(hào)（Over與Low）的傳輸，在量程合適的情況下，還將計(jì)數(shù)值輸出。這兩個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，第1個(gè)時(shí)鐘周期完成計(jì)數(shù)，第2個(gè)時(shí)鐘周期完成控制信號(hào)的傳輸與計(jì)數(shù)值輸出。這樣做的好處是穩(wěn)定，將計(jì)數(shù)與控制信號(hào)傳輸分開進(jìn)行。避免了一些可能遇到的“時(shí)鐘跳變”。但這種做法的缺點(diǎn)也很明顯，那就是在測(cè)周期模式下，假如待測(cè)信號(hào)是1Hz的，那么系統(tǒng)可能需要2s（兩個(gè)時(shí)鐘周期）才能顯示正確的數(shù)值。

3.3 十分頻模塊

由于1kHz~10kHz的信號(hào)無論用測(cè)頻法還是測(cè)周期法都是不可行的，可以采用預(yù)分頻的方法[5]，將1kHz~10kHz的信號(hào)十分頻，然后用測(cè)周期法測(cè)出周期，再計(jì)算出頻率。

3.4 同步整形電路模塊

通過同步整形電路處理外部的異步信號(hào)，超量程和欠量程。源程序如下：

library ieee；

use ieee.std_logic_1164.all；

entity SignalLatch is

4.系統(tǒng)的功能仿真和驗(yàn)證分析

據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖，這里將狀態(tài)機(jī)的程序分成兩個(gè)進(jìn)程，進(jìn)程1完成狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程，進(jìn)程2控制各狀態(tài)下的輸出值如下圖2所示，timecounter=clocktested為50KHz。為了方便觀察，將數(shù)值改小，計(jì)數(shù)值大于100且小于或等于1000時(shí)輸出！將clock1設(shè)為50K，clock2計(jì)數(shù)時(shí)鐘設(shè)為5M，得出仿真如圖3所示Result為100符合計(jì)數(shù)要求。如圖4所示給clk1一個(gè)5KHz的頻率，經(jīng)過十分頻后clk2輸出0.5KHz，clk1的周期是0.2ms，經(jīng)過十分頻后是2ms.。同步整形電路仿真如圖5所示。

由以上模塊進(jìn)行仿真得出了頻率的測(cè)量。如圖6、7、8所示。

圖4 十分頻

圖5 同步整形電路

圖6

圖7

圖8

5.結(jié)論

采用此方法設(shè)計(jì)的數(shù)字頻率計(jì)占用FPGA芯片資源較少，成本較低，減少了電路的尺寸，具有一定的參考實(shí)用價(jià)值。利用Quartus II平臺(tái)進(jìn)行了仿真和硬件測(cè)試，基本達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。系統(tǒng)具有較好可靠性，靈活性。

[1]王本有，孟堅(jiān)，蘇守寶.一種基于FPGA的數(shù)字IC設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù).

[2]潘松，黃繼業(yè).EDA技術(shù)實(shí)用教程[M].北京:科學(xué)出版社，2010.

[3]黃任.AVR單片機(jī)與CPLD/FPGA綜合應(yīng)用入門[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

[4]韓威，徐火生，方湘艷.EDA與集成電路工程設(shè)計(jì)[M].北京:科學(xué)出版社，2009.

[5]候伯亨，顧新.VHDL硬件描述語言與數(shù)字邏輯電路設(shè)計(jì)[M].西安電子科技大學(xué)出版社，2004:6.