基于CPLD直接测频法的数字频率计设计

标 准 的时 间 间 隔 内对 被测 信 号 的重 复 计数 ， 产生 最后 的计数 结果 ． 了保 证 技术 的可 靠 性 ， 为 要对 输 入 的被 测 信号 整 形 ， 以形成 尖 脉 冲信 号 并 变成 方 波 信 号 ， 然后 对 方 波 信 号 的上 升 沿 或 者 下 降沿 计 数 ． 以 ， 所 一般 的计 数 电路都 加 有 整形 电路 ． 由于本 装 置 的输 人测 试 信 号就 是方 波 信号 ， 以没 有 加整 形 电路． 基 电路 所 时
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图 ４ 顶 层 电路 仿 真 图
２ ２ １ 测频控 制信 号发 生器模 块 ．． 频 率 测 量 的流 程 见 图 ５ 测 频 控 制 信 号 发 生 器 生 成 模 块 见 图 ６ 测 频 控 制信 号 产 生 的基 本 原 理 是 通 ； ．
过 计 算 在 一 定 时 间 内通 过 的 周 期 数 ． 就 要 求 该模 块 的 能 产 生 一 个 周 期 为 １ｓ的 技 术 使 能 信 号 Ｅ 这 ＮＡ，
并 且 还 要 同 步 对 每 一 个 计 数 器 的 使 能 端 进 行 控 制 ． 数 器 在 使 能 端 为 高 电平 时 开 始 计 数 ， 低 电 平 时 计 在 停 止 计 数 ， 且 还要 保 持 计 数值 ． 此 期 间 ， 存 器 的 使 能 端 接 收 到 一 个 锁 存 的 上 升 信 号 ， 且 将 计 数 并 在 锁 并 值 送 到 锁存 器 中 ， 过 译 码 电路 译 码 再 经 显示 模 块 最 终 在 七 段 数 码 管 上 显 示 计 数 结 果 ． 过 锁 存 器来 通 通
器、 测频 控 制 信 号 发 生器 、 带有 时钟 使 能 端 的 计数 器 、 锁存 器 Ｄ Ｇ、 码 器 ＥＮ ＯＤＥ 串联 动 态 扫描 模 块 ＲＥ 译 Ｃ 、
Ｄ ＭＩ 以及 ６个 Ｌ Ｄ 显示 管组 成． ４ ＴＳ ＡＯ Ｅ 用 ＯＭＨｚ 的有 源 晶振作 为 Ｆ ＧＡ 的测 试标 准 频率 ， Ｐ 经分 频 电 路最
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改写 上式 ， 得
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（ ３ ）
对 （） １ 式来 说 ， 对 任何 频 率 的周 期 信号 进 行测 量 ， 然 存 在 准 确 的 计 数 时 间 标 准 问题 ， 整 个 测 量 要 必 则 方 案 至少 包 括 计数 电路 和时 基 电路 ， 有 些智 能测 频 装 置 中还 要 有 控 制 电路 ． 而 计数 电路 的 主 要作 用 是 在
做好准备． 由此 ， 要 有 一 个 按 照 严 格 的 时 序 关 系来 工 作 的测 频 控 制 信 号 发 生 器 来 保 证 各 个 模 块 的衔 需 接 工 作 联 系 ． 了产 生严 格 的 工 作 时 序 关 系 ， 要 建 立 一 个 由 Ｄ触 发 器 组 成 的 ２分 频 电路 ， 且 在 每 为 需 并
图 ３ 直 接 测 频 顶 层 电路 原 理 图
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Ｌ Ｄ 数 码 管 上 显 示 频 率 为 １ ９ ９ ９ ９Ｈｚ的 数 字 频 率 计． 设 计 方 法 与 传 统 的 测 周 期 法 系 统 相 Ｅ ～ ９ ９ 该
比 ， 有测 频精度 高 、 度 快 、 围宽 等优 点． 具 速 范
关键 词 ： 直接 测频 法 ； 字频 率计 ； Ｐ Ｄ； 数 Ｃ Ｌ ＶＨＤ Ｌ语 言 中 图分类 号 ： Ｎ７ ． 文献 标 志码 ： Ｔ ９１ Ａ 文章编 号 ： ６ ４３ ８ ２ １ ） １０ ２ －７ １ ７— ５ Ｘ（０ １ ０ —０ ２０
扰 而使 显示 不稳 定．
整 个硬 件 电路 由 以下 模 块组 成 ： ） １ 脉冲 发生 器 ， 产生 标 准时钟 信 号 ；） 频器 模块 ， 生计 数器 工作 的 时 ２分 产 钟 ；） 频控 制信 号 发生 器 ， ３测 产生 测量 所需 要 的 的 闸门信 号 ；） 数器 模块 电路 ， ４计 当闸 门信 号处 于有 效 的高 电 平 时 ， 数器 开 始对 通过 的信 号计 数 ， 计 当处于 闸 门信 号 的低 电平 时期 ， 计数 器 停止计 数 ， 时计 数值 为该 信号 此 的频率 ； ） 存 器 ， 便读 取 计数 器 的值 ， 且使 数码 管 显 示 的值 稳 定 ； ） 码 器 电路 ， ５锁 方 并 ６译 将计 数 结 果从 二 进制 转换 成 十进 制 ， 以方 便 在数 码 管上 显 示 ； ） ７ 动态 扫 描 电路 ， 了节 省 输 出 ｉｏ 和提 高 利用 效率 而 采用 的动态 为 ／
和 闸 门时间 的设置 都会 对测量 精度 有影 响． 量低频 信号 时应将 闸 门时 间设置 的更长 ． 期测量 法是通 过测 测 周
量被 测信 号在 一定 时 间内 的周 期数 ， 过对应 的转换 方法计 算 出被 测信号 的频率 ． 通 被测信 号 的频 率和测量 时
间精 度都会 影 响该方 法 的测量 精度 ． 量 高频 信 号 时应设 置 高要 求 的计 时精 度． 文给 出 了基 于 Ｃ Ｌ 直 测 本 ＰＤ 接测 量法原 理 的数字 频率 计 的设计 方案．
以得 到 锁 存 信 号 和 计 数 清 零 信 号 的 逻 辑 状 态 描述 ． 当计 数 完 成 后 ， 生 的 计 数 使 能 在 闸 门 高 电平 有 效 产
以后 ， 生 一 个 锁 存 信 号 ， 且 产 生 一 个 清 零 信 号 的 上 升 沿使 计 数 器 清 零 ． 频 控 制信 号 发 生 器 模块 的 产 并 测
的作 用 是 为 系统 的 正 常工 作提 供 准 确 的计 时 时 间 ， 般 是 通 过稳 定 的 晶体 振 荡 器 经 过 分频 器 整 形 得 到 ， 一
并 且 由它来 决 定 闸 门 时间 的长 短 ， 即计 数 的 开 启 和 闭合 时 间． 制 电 路 时保 障整 个 系 统 协 调 稳定 工作 的 控 指 挥 系 统 ， 可 以产 生 准确 的时 序关 系 ， 制 着 各 个 模 块 工 作 的使 能 ， 它 控 以完 成 整个 系 统 的各 个 工 作 程 序．
扫 描方 法等 ．
被 测
图 ２ 系 统 原 理 框 图
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２ ・ ３
徐 州 工 程 学 院 学报 （ 自然 科 学 版 ）
２ １ 年 第 １期 ０１
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２ ２ 等 精 度 测 频 顶 层 电 路 ．
频率 计系统 的 ６个模 块包 括分频 器模 块 、 计数 器模块 、 置闸 门时间控 制模块 、 准信 号产 生模块 、 预 标 锁存
仿 真 图见 图 ７ ．
・ ４ ２ ・
陈 治 国 ， ： 于 Ｃ Ｌ 直 接 测 频 法 的数 字频 率 计 设 计 等 基 ＰＤ
图 ５ 控 制 模 块 的 流 程 图
第 ２ 卷第 １ ６ 期
Ｖ０． Ｏ １ ２６ Ｎ ．１
徐 州 工 程 学 院 学 报 （自 然 科 学 版 ）
Ｊ ｕｎ ｌ ｆ ｏ ｒａ ｏ Ｘｕ ｈ ｕ ｎ ｔ ｕ ｅ ｆ Ｔｅ ｈ ｏ ｏ ｙ （ ｔ ｒ ｌ ｃｅ ｃ ｓ ｚ ｏ Ｉ ｓ ｉ ｔ ｏ ｃ ｎ ｌｇ ｔ Ｎａ ｕ ａ Ｓ ｉｎ ｅ Ｅｄ ｔ ｎ ｉｏ ） ｉ
次 时 钟 Ｃ Ｋ 上 升 沿 到 来 时 将 其 值 翻 转 ． 控制 信 号 的 时钟 设 置 为 １ Ｈｚ 则 相 应 的使 能信 号 Ｔ Ｔ Ｎ 脉 Ｌ 把 ， Ｅ Ｅ 宽 为 １Ｓ 这 个 信 号 可 以 作 为 计 数 限 制 的 开 启 和 闭 合 的 时 间 范 围 即 闸 门 时 间 ． 据 工 作 时 序 的 要 求 ， ． 根 可
频 率测 量是 电子 测量 中最基 本 的测量 之 一 ， 着 电子 科技 的发 展 ， 信号 频率 测 量 的精 度 要求 越来 越 随 对 高Ⅲ． 常用数 字频率 测 量方法 有直 接测 量法和周 期测 量法 嗍． 接 测量 法是 在 给定 的 闸 门时 间内 ， 过测 量 直 通
一
定 时间 内通过 的周期 信号 进行 重复计 数 ， 利用 一定 的转换方 法计算 出被测 信号 的频率． 测信号 的频率 再 被
器模块 、 示模 块． 把上 述模块 按 照其相 互间 的信号连 接关 系组合起 来就构 成 了整 个系统 的顶层 系统结构 显 再
图（ ３． 图 ） 此测 量模 块 的测量 位数 为 ６ ， 位 若想 改变频 率计 的测量位 数 ， 可适 当 的改变 计数 器 的个数 ， 则 并且 相 应模 块更 改相应 的参 数 ， 如此就 可 以增 加或 者减 少频率计 的测量 范 围． 其顶层 电路仿 真 图见 图 ４ ．
直接 测量 法框 图如 图 １所示 ．
收 稿 日期 ： ０ ０ １ －４ ２ １—１１ 作 者 简 介 ： 治 国 （９ Ｏ 陈 】 ７ 一） 男 ， ， 副教 授 ， 士 研 究 生 导师 ， 要 从 事 电 力 电力 电子 传 动 和 电力 自动 化 研 究 硕 主
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２ ・ ２
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２１ ０ １年 ３月
Ｍ ａｒ ２Ｏ ． １１
基 于 Ｃ Ｌ 直 接 测 频 法 的 数 字 频 率 计 设 计 Ｐ Ｄ
陈治 国 ， 剑 勇 ， 海 兵 ， 敦 建 李 冯 邓
（ 国矿 业 大学 信 息 与 电气 Ｉ 程 学 院 ， 苏 徐 州 ２ １ １ ） 中 江 ２ １ ６
摘要 ： 于直接 测 频法原理 ， 用 Ｃ Ｌ 可编 程器 件 Ｅ Ｉ ０ ２ ８３设 计 了数 字 频率计． 基 利 Ｐ Ｄ Ｐ ＫＳ ＱＣ ０ — 数 字 频率计 主要 有主板 及 显示 两大模块 ． 软件 部分 采用 ＶＨＤ 硬件 描述 语 言进 行设 计 ， Ｌ 最后 实现 在
终得 到 １Ｈｚ 频率 ． 信 号作 为 测频 控制 信 号发 生器 的输 入信 号 ， 到 １ｓ的 闸 门信号 用 来 控制 计 数 器计 １Ｈｚ 得
数， 被测 信 号作 为计 数器 的输 入 时钟 ． 锁存 器 将计 数器 的计 数 值锁 存 ， 以防 止 由 于周 期 性清 零 信 号 产 生 的 干
陈治 国， ： 于 Ｃ Ｌ 等 基 Ｐ Ｄ直 接 测 频 法 的 数 字 频 率 计 设 计
图 １ 直 接 测 量 法 框 图
２ 直 接 测 频 法 电路 设 计
２ １ 系 统 原 理 框 图 ．
系 统组 成原 理框 图如 图 ２所 示 ． 的基本 原 理是 用计 数器 来 计算 １ｓ内输 入 信号 周 期 的个 数 ． 由分频 它 它
１ 直 接 测频 法原 理
频 率可 以是在 一定 的时 间 内对通 过的信 号进行 计数 ， 并且通 过一定 的转化 公式来 计算． 设在一段 的时 假 间 间隔 ｔ 内通过 对信 号的 重复计 数 的次数 为 Ｎ ， 被测 信号 的频 率 ＿ 以利 用下 面的转化 公式进行计 算． 则 厂可
保 存 计 数 结 果 ， 要 是 防 止 因为 有 周 期 性 的清 零 信 号 产 生 的 干 扰 而 使 显 示 不 稳 定 ． 输 出 显 示 结 果 后 主 在
则 可 以发 送 一 个 计 数 清 零 信 号 使 计 数 器 清 零 并 且 重 新 开 始 计 数 ， 证 计 数 工 作 的连 续 性 ， 下 次 计 数 保 为