等精度数字频率计

江西理工大学应用科学学院

SOPC/EDA综合课程设计报告

完成时间2012年01月03日

目录

第一章设计项目的分析:

1.1 设计原理

1.2 设计要求

1.3 设计思路

第二章项目工作原理及模块工作原理

2.1 项目工作原理

2.2 频率测量模块的工作原理

2.3 周期测量模块的工作原理

2.3.1 直接周期测量法

2.3.2 等精度周期测量法

2.4 脉宽测量模块的工作原理

2.5 占空比测量模块的工作原理

第三章系统设计方案

3.1 等精度数字频率计项目设计方案

3.1.1等精度数字频率计的原理图

3.1.2系统的主要组成部分

3.1.3系统的基本工作方式

3.1.4 CPLD/FPGA测频专用模块的VHDL程序设计

3.2 测频/测周期的实现

3.3 控制部件设计

3.4 计数部件设计

3.5 测量脉冲宽度的工作步骤

第四章主要VHDL源程序

4.1 频率计测试模块

4.2 计数模块

4.3 测频、周期控制模块

4.4 测脉宽、占空比控制模块

4.5 自校/测试频率选择模块

4.6 计数器二频率切换模块

第五章项目硬件测试及仿真结果

5.1 硬件试验情况

5.2 仿真结果

第六章设计总结

附录一参考文献

第一章设计项目的分析

1.1 设计原理

频率计用一个频率稳定度高的频率源作为基准时钟，对比测量其他信号的频率。通常情况下计算每秒内待测信号的脉冲个数，此时我们称闸门时间为1s。闸门时间也可以大于或小于1s。闸门时间越长，得到的频率值就越准确，但闸门时间越长则每测一次频率的间隔就越长。闸门时间越短，测得频率值刷新就越快，但测得的频率精度就受影响。

1.2 设计要求

(1) 对于频率测试功能，测频范围为0.1 Hz～70 MHz；对于测频精度，测频全域相对误差恒为百万分之一。

(2) 对于周期测试功能，信号测试范围与精度要求与测频功能相同。

(3) 对于脉宽测试功能，测试范围为0.1 μs～1 s，测试精度为0.01 μs。

(4) 对于占空比测试功能，测试精度为1%～99%。

1.3 设计思路

利用计数器A对时钟脉冲信号进行计数，同时使用另一个计数器B对被测信号计数。当测量时钟脉冲信号的计数器A累积到一定数值时，将计数器B的结果传送到触发器中并通过一个时钟脉冲锁存，并译码送到七段数码管输出。为了使测量误差尽可能小，可以在被测信号的上升沿使计数器A和计数器B同时计数，为此，可添加一个D触发器，以被测信号作为D触发器的时钟信号，高电平为输入端，输出端Q作为两个计数器的计数允许信号。其原理可用图1表示。

基于传统测频原理的频率计的测量精度将随被测信号的频率的下降而降低，在使用中有较大的局限性，而等精度频率计不但具有较高的测量精度，而且在整个频率区域能保持恒定的测试精度。

第二章项目工作原理及模块工作原理

2.1 项目工作原理

图2-1 等精度数字频率计工作原理图

图中“预置门控制信号”CL可由单片机发出，可以证明，在1秒~0.1秒时间选择的范围内，CL的时间宽度对测频精度几乎没有影响，在此设其宽度为Tpr。BZH和TF模块是两个可控的32为高速计数器，BENA和ENA分别是它们的计数允许信号端，高电平有效。

标准频率信号从BZH的时钟输入端BCLK输入，设其频率为Fs；经整形后的被测信号从与BZH相似的32为计数器TF的时钟输入端TCLK输入，设其真实频率值为Fxe，被测频率为Fx。测频原理说明如下：

图2-2 TOP 模块图

测频开始前，首先发出一个清零信号CLR，使两个计数器和D触发器置0，同时通过信号ENA，禁止两个计数器计数。这是一个初始化操作。

然后由单片机发出允许测频命令，即令预置门控信号CL为高电平，这时D触发器要一直等到被测信号的上升沿通过时Q端才被置1，与此同时，将同时启动计数器BZH和TF，进入“计数允许周期”。在此期间，BZH和TF分别对呗测信号和标准信号同时计数。当Tpr秒后，预置门信号被单片机置为低电平，但此时两个计数器仍没有停止计数，一直等到随后而至的呗测信号的上升沿到来时，才通过D触发器将这两个计数器同时关闭。

被测频率值为Fx，标准频率为Fs，设在一次预置门时间Tpr中对被测信号计数值为Nx，对标准信号的计数值为Ns，则下式成立：

Fx/Nx=Fs/Ns

由此可推得：

Fx=（Fs*Nx）/Ns

最后通过控制SEL选择信号和64位至8位的多路选择器MUX64—8，将计数器BHZ和TF中的两个32位数据分8此读入单片机并按照上式进行计算和结果显示。

2.2频率测量模块

图2-3 自校/测试频率选择模块图

图2-4 计数器二频率切换模块

（1）直接测频法：把被测频率信号经整形电路处理后加到闸门的一个输入端，只有在闸门开通时间T（以秒计）内，被计数的脉冲送到十进制计数器进行计数。（2）组合测频法：是指在高频时采用的直接测频法，低频时采用直接测量周期法测信号的周期，然后换算成频率。

（3）倍频法：是指把频率测量范围分成多个频段，使用倍频技术，根据频段设置倍频系数，将经整形的低频信号进行倍频后再进行测量，对高频段则直接进行测量。被频法较难实现。

（4）等精度测频法

2.3 周期测量模块

图2-5 测频、周期控制模块图

（1）直接周期测量法：用被测信号经放大整形后形成的方波信号直接控制计数门控电路，使主门开放时间等于信号周期Tx，时标为Ts的脉冲在主门开放时间进入计数器。设在Tx期间计数值为N，可以根据以下公式来算得被测次你好周期：

Tx=N*Ts

经误差分析，可得结论：用该测量法测量时，被测信号的频率越高，测量越大。（2）等精度周期测量法：该方法在测量电路和测量精度上与等精度频率测量