基于FPGA的等精度頻率計的設(shè)計與實現(xiàn)

　　現(xiàn)場可編程門陣列FPGA（Field Programmable GateArray）屬于ASIC產(chǎn)品，通過軟件編程對目標器件的結(jié)構(gòu)和工作方式進行重構(gòu)，能隨時對設(shè)計進行調(diào)整，具有集成度高、結(jié)構(gòu)靈活、開發(fā)周期短、快速可靠性高等特點，數(shù)字設(shè)計在其中快速發(fā)展。

　　本文介紹了一種利用FPGA實現(xiàn)DC～100 MHz的自動切換量程數(shù)字等精度頻率計的實現(xiàn)方法，并給出實現(xiàn)代碼。整個系統(tǒng)在研制的CPLD/FPGA實驗開發(fā)系統(tǒng)上調(diào)試通過。

　　1 等精度測頻原理

　　頻率的測量方法主要分為2種方法：

　?。?）直接測量法，即在一定的閘門時間內(nèi)測量被測信號的脈沖個數(shù)。

　?。?）間接測量法，例如周期測頻法、V-F轉(zhuǎn)換法等。間接測頻法僅適用測量低頻信號。

　　基于傳統(tǒng)測頻原理的頻率計的測量精度將隨被測信號頻率的下降而降低，在實用中有較大的局限性，而等精度頻率計不但具有較高的測量精度，而且在整個頻率區(qū)域能保持恒定的測試精度。

　　本設(shè)計頻率測量方法的主要測量控制框圖如圖1所示。圖1中預置門控信號GATE是由單片機發(fā)出，GATE的時間寬度對測頻精度影響較少，可以在較大的范圍內(nèi)選擇，只要FPGA中32 b計數(shù)器在計100 M信號不溢出都行，根據(jù)理論計算GATE的時間寬度Tc可以大于42.94 s，但是由于單片機的數(shù)據(jù)處理能力限制，實際的時間寬度較少，一般可在10～0.1 s間選擇，即在高頻段時，閘門時間較短;低頻時閘門時間較長。這樣閘門時間寬度Tc依據(jù)被測頻率的大小自動調(diào)整測頻，從而實現(xiàn)量程的自動轉(zhuǎn)換，擴大了測頻的量程范圍;實現(xiàn)了全范圍等精度測量，減少了低頻測量的誤差。

本設(shè)計頻率測量方法的主要測量控制框圖如圖1所示　　

　　圖1中BZ_Counter和DC_Counter是2個可控的32 b高速計數(shù)器（100 MHz），BZ_ENA和DC_ENA分別是他們的計數(shù)允許信號端，高電平有效?；鶞暑l率信號從BZ_Counter的時鐘輸入端BZ_CLK輸入，設(shè)其頻率為Fb;待測信號經(jīng)前端放大、限幅和整形后，從與BZ_Counter相似的32 b計數(shù)器DC_Counter的時鐘輸入端DC_CLK輸入，測量頻率為Fx。

　　測量開始，首選單片機發(fā)出一個清零信號CLR，使2個32 b的計數(shù)器和D觸發(fā)器置0，然后單片機再發(fā)出允許測頻命令，即使預置門控信號GATE為高電平，這時D觸發(fā)器要一直等到被測信號的上升沿通過時，Q端才被置1，即使BZ_ENA和DC_ENA同時為1，將啟動計算器BZ_Counter和DC_Counter，系統(tǒng)進入計算允許周期。這時，計數(shù)器BZ_Counter和DC_Counter分別對被測信號和標準頻率信號同時計數(shù)。當Tc秒過后，預置門控信號被單片機置為低電平，但此時2個32 b的計數(shù)器仍然沒有停止計數(shù)，一直等到隨后而至的被測信號的上升沿到來時，才通過D觸發(fā)器將這2個計算器同時關(guān)閉。由圖2所示的測頻時序圖可見，GATE的寬度和發(fā)生的時間都不會影響計數(shù)使能信號允許計數(shù)的周期總是恰好等于待測信號XCLK的完整周期，這正是確保XCLK在任何頻率條件下都能保持恒定測量精度的關(guān)鍵。因為，此時GATE的寬度Tc改變以及隨機的出現(xiàn)時間造成的誤差最多只有基準時鐘BCLK信號的一個時鐘周期，由于BCLK的信號是由高穩(wěn)定度的100 MHz晶體振蕩器發(fā)出的，所以任何時刻的絕對測量誤差只有1/108 s，這也是系統(tǒng)產(chǎn)生主要的誤差。

　　設(shè)在某一次預置門控時間Tc中對被測信號計數(shù)值為Nx，對標準頻率信號的計數(shù)值為Nb，則根據(jù)閘門時間相等，可得出公式（1）：

　　2 頻率計的VHDL設(shè)計

　　本設(shè)計采用ALTERA公司的FPGA芯片EPF10K10，該芯片管腳間的延遲為5 ns，即頻率為200 MHz，應(yīng)用標準化的硬件描述語言VHDL有非常豐富的數(shù)據(jù)類型，他的結(jié)構(gòu)模型是層次化的，利用這些豐富的數(shù)據(jù)類型和層次化的結(jié)構(gòu)模型，對復雜的數(shù)字系統(tǒng)進行邏輯設(shè)計并用計算機仿真，逐步完善后進行自動綜合生成符合要求的、在電路結(jié)構(gòu)上可實現(xiàn)的數(shù)字邏輯，再下載到可編程邏輯器件中，即可完成設(shè)計任務(wù)。下面給出該頻率計基于EPF10K10的VHDL描述源程序：

　　頻率計基于EPF10K10的VHDL描述源程序