全同步數字頻率計的 VHDL設計與仿真

1 引 言

頻率測量不僅在工程應用中有非常重要的意義，而且在高精度定時(shí)系統中也處于核心地位，±1個(gè)計數誤差通常是限制頻率測量精度進(jìn) 一步提高的重要原因。由于測頻技術(shù)的重要性，使測頻方法也有了很大的發(fā)展，常用數字頻率測量方法有M法，T法，和M／T(等精度測量法)法。M法，T法， 和M／T法都存在±1個(gè)計數誤差問(wèn)題：M法存在被測閘門(mén)內±1個(gè)被測信號的脈沖個(gè)數誤差，T法或M／T法也存在±1個(gè)字的計時(shí)誤差，這個(gè)問(wèn)題成為限制測量 精度提高的一個(gè)重要的原因。全同步頻率測量法[1]，從根本上消除了限制測量精度提高的±1個(gè)計數誤差問(wèn)題，從而使頻率測量的精度和性能大為改善。

基于對FPGA器件和EDA技術(shù)以及全同步測頻方法的研究[2，3]，介紹一種利用FPGA實(shí)現DC～100 MHz全同步數字頻率計的實(shí)現方法，并給出VHDL實(shí)現代碼和仿真波形。整個(gè)系統在研制的FPGA／CPID實(shí)驗開(kāi)發(fā)系統上調試通過(guò)。本設計采用了高集成度的現場(chǎng)可編程門(mén)陣列(Field Program-mable Gata Array，FPGA)Flex EPF10k20TCl44-4芯片[4]，通過(guò)軟件編程對目標器件的結構和工作方式進(jìn)行重構，能隨時(shí)對設計進(jìn)行調整，使得本設計具有集成度高、結構靈活、開(kāi)發(fā)周期短、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。

在文獻[2，5]中所描述的等精度頻率測量方法中，其測頻原理如圖1所示。



其 誤差與閘門(mén)時(shí)間和標準時(shí)鐘頻率有關(guān)，閘門(mén)時(shí)間越長(cháng)，標準時(shí)鐘頻率越高，誤差越小。因此，用等精度測頻法時(shí)所取的標準時(shí)鐘頻率比較高(10 MHz以上)，因此±1計數誤差相對很小。標準時(shí)鐘頻率不可能無(wú)限制提高，并且隨著(zhù)頻率提高，產(chǎn)品成本成倍增加，對于生產(chǎn)應用沒(méi)有意義。因此本設計用改進(jìn) 的等精度頻率測量方法--全同步測量來(lái)實(shí)現數字頻率計的設計。在全同步的情況下，閘門(mén)信號不僅與被測信號同步，還與標準時(shí)鐘同步。其原理圖如圖2所示。

2 全同步測頻原理簡(jiǎn)述
由文獻[1，6]可知：設開(kāi)啟閘門(mén)時(shí)脈沖同步時(shí)間差為△t1，關(guān)閉閘門(mén)時(shí)脈沖同步時(shí)間差為△t2，脈沖同步檢測最大誤差為△t，則有：△t1≤△t，△t2≤△t。頻率測量的相
對誤差如式(2)所示：

由式(1)可知，誤差只與脈沖檢測電路準確度有關(guān)，顯然，控制△t來(lái)提高頻率測量精度是有效的，而且實(shí)現走來(lái)比提高標準時(shí)鐘頻率更容易。




在以上分析的基礎上，本設計采用FPGA來(lái)實(shí)現全同步數字頻率計。其系統原理框圖如圖3所示。由圖3可知，設計的絕大部分由FPGA完成，只有脈沖同步檢測電路由74LS系列與非門(mén)來(lái)實(shí)現，以及顯示部分由數碼管構成。


3 全同步數字頻率計模塊設計
由系統原理框圖3，則其FPGA內部模塊電路設計原理如圖4所示。



設 計原理圖主要由以下幾部分組成：脈沖同步檢測電路、2個(gè)計數器、2個(gè)鎖存器、控制器、乘法器、除法器、澤碼電路等組成。工作原理如下：被測頻率與標準時(shí)鐘 分別送給脈沖同步檢測電路與2個(gè)計數器，當脈沖同步檢測電路檢測到被測頻率與標準時(shí)鐘相位同步時(shí)，脈沖同步檢測電路發(fā)出同步信號，2個(gè)計數器開(kāi)始計數，當 脈沖同步檢測電路再次檢測到間步信號時(shí)，義發(fā)出同步信號，計數器停止計數。同時(shí)計數器的計數值鎖存到鎖存器，時(shí)序乘法器從鎖存器中取得被測頻率的計數值與 標準時(shí)鐘頻率進(jìn)行乘法運算，然后再將乘法器運算所得的值與標準時(shí)鐘的計數值送給除法器，乘法器的結果為被除數，標準時(shí)鐘的計數值為除數，運算所得結果就是 被測信號的頻率，然后冉經(jīng)過(guò)二卜進(jìn)制轉換變成BCD碼，送給數碼管顯示。本設計采用10 MHz的標準時(shí)鐘，由于乘法器輸入是27位二進(jìn)制，相當于9位10進(jìn)制數，而10 MHz的標準時(shí)鐘為107Hz，因此用被測頻率的計數值乘以108可得到一位小數點(diǎn)。
3．1 脈沖同步檢測電路

脈沖同步檢測電路 沒(méi)計原理圖如圖5所示。U1～U8為74LS系列與非門(mén)，同步檢測電路利用門(mén)電路的延時(shí)來(lái)構成。當被測信號及標準時(shí)鐘都處在低電平時(shí)，U1，U2輸出為高 電平，U3，U4的輸出為高電平，U5，U6輸出為低電平，則U8輸出為低電平。當被測信號(Fx)及標準時(shí)鐘的上升沿同時(shí)到來(lái)時(shí)，由于門(mén)電路具有延時(shí)特 性，因此U1，U2并不馬上變?yōu)榈碗娖?，而是要?jīng)過(guò)一個(gè)延時(shí)才變?yōu)榈碗娖?。于是U3，U4的輸入端都是高電平，則U3，U4
輸出為低電平，U5，U6的輸出為高電平，則U8輸出為高電平。但是當且儀當Fx與CLK的上升沿在在延時(shí)時(shí)間內同時(shí)到達時(shí)U8才會(huì )輸出高電平。74LS系列與非門(mén)的延時(shí)最小為4 ns，最大為15 ns，因此最大誤差為11ns。根據公式(2)得：



當T0為1 s時(shí)，其精度可達到10－7，如再減小相位誤差，則可提高頻率計的精確度。