等精度频率计设计

等精度频率计

。测频模块的片外输入采

作者：林军招弟任战涛指导老师：杰

（黄冈师学院物理科学于技术学院林军招弟任战涛黄冈438000）

摘机和FPGA构成的最小系统为核心,以89C52单片机作为控制中心，汇编语言编程。FPGA 主芯片是Altera 公司的Cyclone 系列的EP1C6Q240C8，VHDL语言编程，设双向口，等精度测频模块，键盘编码扫描模块等。测频模块的片外输入

采

作者：林军招弟任战涛指导老师：杰

（黄冈师学院物理科学于技术学院林军招弟任战涛黄冈438000）

摘要：本设计以单片机和FPGA构成的最小系统为核心,以89C52单片机作为控制中心，汇编语言编程。FPGA 主芯片是Altera 公司的Cyclone 系列的

EP1C6Q240C8，VHDL语言编程，设双向口，等精度测频模块，键盘编码扫描模

块等。测频模块的片外输入采

作者：林军招弟任战涛指导老师：杰

（黄冈师学院物理科学于技术学院林军招弟任战涛黄冈438000）

摘要：本设计以单片机和FPGA构成的最小系统为核心,以89C52单片机作为控制中心，汇编语言编程。FPGA 主芯片是Altera 公司的Cyclone 系列的

EP1C6Q240C8，VHDL语言编程，设双向口，等精度测频模块，键盘编码扫描模

块等。测频模块的片外输入采

作者：林军招弟任战涛指导老师：杰

（黄冈师学院物理科学于技术学院林军招弟任战涛黄冈438000）

摘要：本设计以单片机和FPGA构成的最小系统为核心,以89C52单片机作为控制中心，汇编语言编程。FPGA 主芯片是Altera 公司的Cyclone 系列的EP1C6Q240C8，VHDL语言编程，设双向口，等精度测频模块，键盘编码扫描模块等。测频模块的片外输入采用带宽运放OPA637放大，并使用TL3116 和LM311构建迟滞比较器整形为方波信号送入FPGA由可编程逻辑组建的测频单元运算；显示采用TC6963C控制液晶显示模块；等精度测量法。工作电路板使用8051&FPGA 板。结果表明各项功能均达到要求，具有低功耗的特点。

关键字：等精度测量程控放大周期测量

一方案设计

1.设计方案论证

将信号比较整形为等频率的方波，再送入FPGA进行频率测量。

方案一：直接测频法。在确定的闸门时间，利用计数器记录待测信号通过

的周期数，从而计算出待测信号的频率。此方案对低频信号测量的精度很低，较适合于高频信号的测量。

方案二：测周法。以待测信号为门限，记录在此门限的高频标准时钟的数

量，从而计算出待测信号的频率。但被测信号频率过高时，由于测量时间不足会存在精度不够的问题，此方案适于低频信号的测量。

方案三：等精度测频法。其精确门限由被测信号和预制门控制共同控制，测

量精度与被测信号的频率无关，只与基准信号的频率和稳定度有关，因此可以保证在整个测量频段测量精度不变。因此我们选取方案三。

2系统方案设计

在本设计中，单片机的所有控制信号及数据接受和发送都是通过FPGA完成的，因此首先在FPGA通过两片74373锁存芯片构成双向口电路，为两者搭建信号通道。根据题目要求，频率测量围要求从1赫兹到35兆赫兹，采用分段处理的方法，对高低频分别采用不同的比较整形电路。FPGA部特别设计乘法器与除法器。被测频率信号与100M时钟信号（40M标准时钟信号倍频后所得）计数所得的两路32位数据，经过乘除法运算后，将最终获得的被测信号的频率值送入单片机，单片机控制液晶显示器显示。系统方框图：

二理论分析：

2.1 等精度测频率

在测量过程中，被测信号与使能信号接入一个D触发器，此时使能信号功能相当于一个闸门，控制计数器的开始。同时将被测信号与闸门信号一同进入计

数器。当被测信号的第一个上升沿脉冲来时，闸门信号也为上升沿，从而开始计数，当使能信号变为跳变为低电平的时刻，此时被测信号的上升沿控制闸门信号跳变为低电平，这样就保证了闸门信号所计数是被测信号周期的整数倍。

对被测信号频率的计算公式：

Fsin=Na*Fs/Nb

Fsin ：被测信号频率，Na:被测信号所得频率计数，Fs ：100M ，Nb ：标准时钟信号所得频率计数。

由于闸门信号时间长正好是被测信号周期的整数倍，所以Na 不存在误差，而Nb 存在+1.-1的误差，因此系统的相对误差为：

Nb Fs Nb

Na Fs Nb Na Fs Nb Na F F 11sin sin ≈•⎪⎭⎫ ⎝⎛•-•-=∆ 当T ≈1s ，Fs=100M 时ΔFsin ≈1/100000000HZ;符合题目要求。

但是当低频段的频率低于闸门信号频率时则无法计算出频率。

2.2等精度测周期

在测量周期的时候，首先将时间单位设置为纳秒输出，这样，根据计算公式 Tsin=1/Fsin=Nb/Na*10(ns),可在乘法器，除法器一个选择输出电路。完成由频率到周期的转换。

三．电路与程序设计

一 电路设计

电路设计包括六个主要部分：程控放大电路，比较整形电路，双向口电路，

等精度测量，计算器，按键编码及扫描电路。

1.程控放大电路

为了检测有效值为0.005V-5V 信号的频率（即Vp-p 围0.014V-14V ），而高频比较器TL3116能检测的最小信号幅度Vp-p=0.8V ，因次需要对信号程控放大，当测得信号的幅度Vp-p<0.1V 是，设定放大倍数为120倍，当0.11V 时设定放大倍数为1倍。

以MAX309为模拟开关，用OPA637接成一级同相放大器进行10倍增益放大，用两级OPA637级联进行120倍放大。原理图如下：

2.比较整形电路

由于在测频率及周期部分没有宽带有1HZ-35MHZ 的比较器，所以采用分段处理的方法实现整个频带的测量。为了防止干扰的误翻转，我们采用了带正反馈的滞回比较电路。在反向输入时，其正向阈值电压V R R R U F 522⨯+=+ ，对应比

较后信号的下降沿。负向阈值电平为0V ，对应于比较后信号的上升沿。故输出信号的上升沿仍需过零比较。其原理图如下：