六位数字频率计的设计与实现-毕业论文

电子科技大学UNIVERSITY OF ELECTRONIC SCIENCE AND TECHNOLOGY OF CHINA学 士 学 位 论 文BACHELOR DISSERTATION论文题目六位数字频率计的设计与实现学生姓名学号学院电子工程学院专业电子信息工程指导教师指导单位年月日摘要摘 要频率计是一种应用非常广泛的电子仪器，也是电子测量领域中的一种重要仪器，而高精度的频率计的应用尤为广泛。本论文首先简单介绍了 EDA 技术原理和 Quartus开发软件的操作方法，接着论述了三种常见的测频方法，选用其中的软件测频法实现了高精度测频的目的。本设计分为硬件设计和软件设计，其中软件设计部分采用 VHDL 编写，分为分频模块,锁存模块,波形计数模块和频率值结果显示模块，各个模块程序均通过了时序仿真验证和功能仿真验证，再利用顶层文件将所有模块连接起来，拼接成一个整体。模块划分的设计具有相对独立性，可以对模块单独进行设计、调试和修改，缩短了设计周期。此次设计的硬件实现环境是实验板和焊接模块。本论文对测频系统的设计流程、模型的建立和仿真做出了具体详细的研究，验证了该系统的正确性。本系统采用了 FPGA 来实现高精度数字频率计设计。除信号整形输入部分以外，其余全部在一片 FPGA 芯片上实现，整个系统非常精简，而且具有灵活的现场可更改性。关键词：VHDL，数字频率计，EDA，FPGAIABSTRACTAbstractFrequency meter is a kind of electronic instrument applied widely. A kind of high-accuracy digital frequency meter is designed based on FPGA in this paper.This paper first introduces the method of operation principle of EDA technology and Quartus II software, then introduces three kinds of common frequency measurement method, the selection of the precision frequency measuring method achieves high precision frequency measurement purpose. The design is divided into hardware design and software, the software design part uses the VHDL compilation, divided into frequency cut waveform counting module, data processing module and the frequency value result display module, each module program through the timing simulation and functional simulation, the top-level documents connect all modules, spliced into a whole. Design module is relatively independent, can carry on the design, debug and modify the module separately, shorten the design cycle. The design of the hardware environment is the EDA experiment box. Establishment and Simulation of the design process, the frequency measurement system model is studied in detail in the paper, the system has been proved right.The system uses FPGA to realize the high precision digital frequency meter design. In addition to the signal input part outside, the rest allin the realization of a FPGA chip, the whole system is very compact, and flexible change of scene.Keywords: VHDL, Digital Frequency Meter, EDA , FPGAII目录目 录第一章 引言.11.1研究背景及意义.11.2论文结构及安排.3第二章 EDA 原理概述和设计方法.42.1 EDA 的设计思路和方法.42.2 FPGA 基本原理介绍.52.3 VHDL 简单介绍.62.4基于 EP4CE6E22C8N 的实验板介绍.72.4.1实验板芯片介绍.72.4.2实验板资源介绍.82.5Quartus II 13.0 和 ModelSimaltera 介绍.10第三章频率测量方法和原理.113.1采用纯硬件实现的测频方法.113.2采用软硬件结合的测量方式.113.2.1由单片机实现的软硬件相结合的实现法.113.2.2采用 FPGA 实现的直接测频法.123.2.2.1被测信号频率较高时.123.2.2.2被测信号频率较低时.133.3本章小结.14第四章系统总体设计方案.154.1频率计系统设计任务要求和任务分析.154.1.1频率计系统设计任务要求.154.1.2频率计系统设计任务分析.154.2设计方案分析.154.3本章小结.17第五章基于 FPGA 功能模块的分析.185.1滤波整形电路设计.185.2分频模块的设计.195.3计数模块的设计.20III目录5.4 锁存模块的设计225.5 扫描显示模块的设计235.6 本章小结27第六章 硬件测试和误差分析286.1 硬件测试286.2 误差分析296.3 本章小结31第七章 结束语327.1 本文内容327.2 下一步学习工作方向32附录33参考文献50致谢51外文资料原文52外文资料译文57IV第一章 引言第一章 引言频率是电子技术领域的一个基本参数，同时也是一个非常重要的参数，因此，频率测量已成为电子测量领域最基本最重要的测量之一。精确的频率计在科研和生活领域也变得越来越重要。1.1 研究背景及意义频率是电子技术领域的一个基本参数，同时也是一个非常重要的参数，因此，频率测量已成为电子测量领域最基本最重要的测量之一。随着科学技术的不断发展提高，人们对科技产品的要求也相应的提高，数字化的电子产品越来越受到欢迎。频率计作为比较常用和实用的电子测量仪器，广泛应用于科研机构、学校、家庭等场合，因此它的重要性和普遍性勿庸质疑。在电子测量领域中，频率测量的精确度是最高的，可达 1010E-13 数量级。因此，在生产过程中许多物理量，例如温度、压力、流量、液位、PH 值、振动、位移、速度、加速度，乃至各种气体的百分比成分等均用传感器转换成信号频率，然后用数字频率计来测量，以提高精确度1。数字频率计具有体积小、携带方便；功能完善、测量精度高等优点，因此在以后的时间里，必将有着更加广阔的发展空间和应用价值2。比如：将数字频率计稍作改进，就可制成既可测频率，又能测周期、占空比、脉宽等功能的多用途数字测量仪器。将数字频率计和其他电子测量仪器结合起来，制成各种智能仪器仪表，应用于航空航天等科研场所，对各种频率参数进行计量；应用在高端电子产品上，对其中的频率参数进行测量；应用在机械器件上，对机器振动产生的噪声频率进行监控3；等等。研究数字频率计的设计和开发，有助于频率计功能的不断改进、性价比的提高和实用性的加强。以前的频率计大多采用 TTL 数字电路设计而成，其电路复杂、耗电多、体积大、成本高。随后大规模专用 IC（集成电路）出现，如 ICM7216，ICM7226 频率计专用 IC，使得频率计开发设计变得简单，但由于价格较高，因此利用 IC 设计数字频率计的较少4。而单片机数字频率计以其可靠性高、体积小、价格低、功能全等优点，广泛地应用于各种智能仪器中，这些智能仪器的操作在进行仪器校核以及测量过程的控制中，达到了自动化，传统仪器面板上的开关和旋钮被键盘所代替5，测试人1电子科技大学本科学位论文员在测量时只需按需要的键，省掉很多烦琐的人工调节，智能仪器通常能自动选择量程，自动校准6。有的还能自动调整测试点，这样不仅方便了操作，也提高了测试精度。随着科学技术的发展，用户对电子计数器也提出了新的要求。对于抵挡产品要求使用操作方便，量程（足够）宽，可靠性能高（原文为“可靠性能搞”显然是印刷错误），低价格7。而对于中高档产品，则要求有高分辨率，高精度，搞稳定度，高测量速率；除通常通用计数器所具有的功能外，还要有数据处理功能，时域分析功能等等，或者包含电压测量等其他功能8。这些要求有的已经实现或者部分实现，但要真正完美的实现这些目标，对于生产厂家来说，还有许多工作要做，而不是表面看来似乎发展到头了。由于微电子技术和计算机技术的发展，频率计都在不断地进步着，灵敏度不断提高，频率范围不断扩大，功能不断地增加。在测试通讯、微波器件或产品时，通常都是较复杂的信号，如含有复杂频率成分、调制的或含有未知频率分量的、频率固定的或变化的、纯净的或叠加有干扰的等等。为了能正确地测量不同类型的信号，必须了解待测信号特性和各种频率测量仪器的性能。微波计数器一般使用类型频谱分析仪的分频或混频电路，另外还包含多个时间基准、合成器、中频放大器等。虽然所有的微波计数器都是用来完成技术任务的，但制造厂家都有各自的一套复杂的计数器的设计、使得不同型号的计数器性能和价格会有所差别，比如说一些计数器可以测量脉冲参数，并提供类似于频率分析仪的频幕显示，对这些功能具有不同功能不同规格的众多仪器。我们应该视测试需要正确的选择，以达到最经济和最佳的应用效果。数字电路制造工业的进步，使得系统设计人员能在更小的空间实现更多的功能，从而提高系统可靠性和速度。现如今，数字频率计已经不仅仅是测量信号频率的装置了，用它还可以测量方波脉冲的脉宽。在人们的生活中频率计也发挥着越来越重要的作用，比如用数字频率计来监控生产过程，这样可以及时发现系统运行中的异常情况，以便给人们争取时间处理。除此之外，它还可以应用于工业控制等其它领域。在传统的电子测量仪器中，示波器在进行频率测量是频率较低，误差较大。频率仪可以准确的测量频率并显示被测信号的频谱，但测量速度较慢，无法实时的跟踪捕捉到被测信号的频率变化。正是由于频率计能够快速准确的捕捉到被测信号频率的变化，因此频率计拥有非常广泛的引用范围。在传统生产制造企业中，频率计被广泛应用在产线的生产测试中。频率计能够快速的捕捉到晶体振荡器输出的频率变化，用于通过使用2第一章 引言频率计能够迅速的发现有故障的晶振产品，确保产品质量。在计量实验室中，频率计被用来对各种电子测量设备的本地振荡器进行校准。在无线通讯测试中，频率计既可以被用来对无线通讯基站的主时钟进行校准，还可以用来对电台的跳帧信号进行分析。对于频率计的设计目前也有专用芯片可以实现，如利用 MAXIM 公司的 ICM7240 来设计频率计。但由于 这种芯片的计数频率比较低，远不能达到在一些场合需要测量很搞的频率要求，而测量精度也受到芯片本身的限制。提出的用 AT8C52 单片机设计频率计的方法可以解决这些问题，实现精度较高、等精度和宽范围频率计的设计8。1.2 论文结构及安排本论文主要研究内容是基于 EDA 技术的使用 VHDL 描述语言进行高精度频率计的设计和仿真验证。本论文的主要结构安排如下：第二章介绍了 FPGA 的基本原理和 Quartus II 13.0 开发中的自上而下的设计方法。并简单介绍了 EP4CE6E22C8N 开发板的参数和相关引脚情况。第三章主要介绍了现在常见的测量频率的原理方法和各种方法的优缺点比较。第四章介绍了本方案的整体方案概述和分析，并给出了整体框架和顶层文件的分析。第五章介绍了基于 FPGA 的功能模块的电路设计和仿真情况。第六章为总体设计的硬件测试数据和误差分析内容。第七章为结束语。3电子科技大学本科学位论文第二章 EDA 原理概述和设计方法2.1 EDA 的设计思路和方法所谓的 EDA 技术，是在 20 世纪 90 年代初，从 CAD(计算机辅助设计)、CAM(计算机辅助制造)、CAT(计算机辅助测试)和 CAE(计算机辅助工程)的概念发展而来的。目前，电子设计自动化己逐渐成为重要的设计手段，其广泛应用于模拟与数字电路系统等许多领域。EDA 技术就是以计算机为工作平台，以 EDA 软件工具为开发环境、以硬件描述语言 HDL 为设计语言、以可编程逻辑器件为试验载体、以 ASIC、SOC 芯片为目标器件，以电子系统设计为应用方向的电子产品自动化设计过程。在 EDA 的设计过程中，用 HDL 编写的设计文件将自动的完成逻辑编译、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合及优化、逻辑布局布线、逻辑仿真、直至对特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等等工作。设计的工作仅限于利用软件的方式，即用硬件描述语言来完成对系统硬件功能的描述，在 EDA 工具的帮助下就可以得到最后的设计结果。尽管目标系统是硬件，但整个设计和修改如完成软件设计一样方便而高效。EDA 技术中最为瞩目的功能，即最具现代电子设计技术特征的功能就是日益强大的逻辑设计仿真测试技术。EDA 仿真测试技术只需通过计算机就能对所设计的电子系统从各种不同层次的系统性能特点完成一系列准确的测试与仿真操作，在完成实际系统的安装后还能对系统上的目标器件进行所谓的边界扫描测试。另一方面，高速发展的 FPGA/CPLD 器件又为 EDA 技术的不断进步奠定了坚实的物质基础。FPGA/CPLD 器件的更广泛的应用及厂商间的竞争，使得普通的设计人员获得廉价的器件和 EDA 软件成为了可能，大大的促进了 EDA 的发展9。EDA 技术是现代电子工程领域的一门较新的技术，它提供了基于计算机和信息技术的电路系统设计方法，极大的推动了电子产业的发展。目前，在通信、国防、航天、工业自动化等领域的电子系统设计当中，EDA 技术的含量正以惊人的速度发展着。未来的 EDA 将会超越电子设计的范畴进入其他的领域，随着基于 EDA 的 SoC(System on a Chip)设计技术的发展，软硬功能核库的建立，以及基于 HDL 所谓自顶向下设计理念的确立，将会极大的推动电子工业的发展，将电子系统的设计和规划应用到其他的领域中去。4第二章 EDA 原理概述和设计方法2.2 FPGA 基本原理介绍FPGA 是英文 Field Programmable Gate Array 的缩写，即现场可编程门阵列，它是在 PAL、GAL、EPLD 等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。FPGA 采用了逻辑单元阵列LCA(Logic Cell Array)这样一个新概念，内部包括可配置逻辑模块 CLB(Configurable Logic Block)、输出输入模块 IOB(Input Output Block)和内部连线(Interconnect)三个部分。FPGA 的基本特点主要有：1)采用 FPGA 设计 ASIC 电路，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片。2)FPGA 可做其它全定制或半定制 ASIC 电路的中试样片。3)FPGA 内部有丰富的触发器和 IO 引脚。4)FPGA 是 ASIC 电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。5)FPGA 采用高速 CHMOS 工艺，功耗低，可以与 CMOS、TTL 电平兼容。可以说，FPGA 芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。目前 FPGA 的品种很多，有 XILINX 的 XC 系列、TI 公司的 TPC 系列、ALTERA公司的 FLEX 系列等。FPGA 是由存放在片内 RAM 中的程序来设置其工作状态的，因此，工作时需要对片内的 RAM 进行编程。用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。加电时，FPGA 芯片将 EPROM 中数据读入片内编程 RAM 中，配置完成后，FPGA 进入工作状念。掉电后，FPGA 恢复成白片，内部逻辑关系消失，因此，FPGA 能够反复使用。FPGA 的编程无须专用的 FPGA 编程器，只须用通用的 EPROM、PROM 编程器即可。当需要修改 FPGA 功能时，只需换一片 EPROMU 口可。这样，同一片 FPGA，不同的编程数据，可以产生不同的电路功能。因此，FPGA 的使用非常灵活。FPGA 有多种配置模式：并行主模式为一片 FPGA 加一片 EPROM 的方式；主从模式可以支持一片 PROM 编程多片FPGA；串行模式可以采用串行 PROM 编程 FPGA；外设模式可以将 FPGA 作为微处理器的外设，由微处理器对其编程。FPGA 芯片是特殊的 ASIC 芯片，除了具有 ASIC 的特点之外，还具有以下几个优点：1)随着超大规模集成电路(Very Large Scale IC，VLSI)工艺的不断提高，单一芯片内部可以容纳上百力个晶体管，FPGA 芯片的规模也越来越大，其单片逻辑门数已达到上百万门，所实现的功能越来越强，同时还可以实现系统集成。2)FPGA 芯片在出厂之前 100都做过测试，不需要设计人员承担投资风险和5电子科技大学本科学位论文费用，设计人员只需在自己的实验室罩就可以通过相关的软硬件环境来完成芯片的最终功能设计。所以，FPGA 的资会投入少，节省了许多潜在的花费。3)用户可以反复的编程、擦除、使用，或者在外围电路不动的情况下，用不同的实现软件就可以实现不同的功能。因此，用 FPGA 试制样本，能以最快的速度占领市场。FPGA 软件包中有各种输入工具、仿真工具、版图设计工具及编程器等全线产品，使电路设计人员在很短的时间内就可以完成电路的输入、编译、优化、仿真，直至最后芯片的制作。当电路有少量的改动时，更能显示出 FPGA 的优势。电路设计人员使用 FPGA 进行电路设计是时，不需要具备专门的 IC 深层次的知识，FPGA 软件易学易用，可以使设计人员集中精力进行电路设计，快速将产品推向市场10。FPGA 的基本原理图如图 2-2 所示：图 2-2 FPGA 基本结构2.3 VHDL 的简单介绍HDL 的英文全名是 VeryHighSpeed Integrated Circuit Hardware Description Language，诞生于 1982 年。1987 年底，VHDL 被 IEEE 和美国国防部确认为标准硬件描述语言。自 IEEE 公布了 VHDL 的标准版本，IEEE-1076(简称 87 版)之后，各 EDA 公司相继推出了自己的 VHDL 设计环境，或宣布自己的设计工具可以和 VHDL 接口。此后 VHDL 在电子设计领域得到了广泛的接受，并逐步取代了原有的非标准的硬件描述语言。1993 年，IEEE 对 VHDL 进行了修订，从更高的抽象层次和系统描述能力上扩展 VHDL 的内容，公布了新版本的 VHDL，即 IEEE 标准的 10761993 版本，(简称 93 版)。现在，VHDL 作为 IEEE 的工业标准硬件描述语言，又得到众多 EDA 公司的支持，在电子工程领域，已成为事实上的通用硬件描述语言11。有专家认为，在新的世纪中，VHDL 语言将承担起大部分的数字系统设计任务。6第二章 EDA 原理概述和设计方法VHDL 语言覆盖面广，描述能力强，能支持硬件的设计、验证、综合和测试，是一种多层次的硬件描述语言。其设计描述可以是描述电路具体组成的结构描述，也可以是描述电路功能的行为描述。这些描述可以从最抽象的系统级直到最精确的逻辑级，甚至门级。VHDL 对电路的行为进行描述，并进行仿真和纠错，然后在系统一级进行验证，最后再用逻辑综合优化工具生成具体的门级逻辑电路的网表，下载到具体的 FPGA 器件中去，从而实现可编程的专用集成电路的设计。运用 VHDL 语言设计系统一般采用自顶向下分层设计的方法，首先从系统级功能设计开始，对系统高层模块进行行为描述和功能仿真。系统的功能验证完成后，将抽象的高层设计自顶向下逐级细化，直到与所用可编程逻辑器件相对应的逻辑描述12。VHDL 主要用于描述数字系统的结构，行为，功能和接口。除了含有许多具有硬件特征的语句外，VHDL 的语言形式和描述风格与句法是十分类似于一般的计算机高级语言13。VHDL 的程序结构特点是将一项工程设计，或称设计实体(可以是一个元件，一个电路模块或一个系统)分成外部(或称可视部分及端口)和内部(或称不可视部分)。在对一个设计实体定义了外部界面后，一旦其内部开发完成后，其他的设计就可以直接调用这个实体。这种将设计实体分成内外部分的概念是 VHDL 系统设计的基本点。应用 VHDL 进行工程设计的优点是多方面的14。(1)与其他的硬件描述语言相比，VHDL 具有更强的行为描述能力，从而决定了他成为系统设计领域最佳的硬件描述语言。强大的行为描述能力是避开具体的器件结构，从逻辑行为上描述和设计大规模电子系统的重要保证。(2)对于用 VHDL 完成的一个确定的设计，可以利用 EDA 工具进行逻辑综合和优化，并自动的把 VHDL 描述设计转变成门级网表。(3)VHDL 对设计的描述具有相对独立性，设计者可以不懂硬件的结构，也不必管理最终设计实现的目标器件是什么，而进行独立的设计15。2.4 基于 EP4CE6E22C8N 的实验板介绍2.4.1 实验板芯片介绍EP4CE6E22C8N 为 Altera cyclone iv 系列器件基于成本优化的全铜 1.5V SRAM 工艺，容量从 2910 至 20060 个逻辑单元，具有多达 294912bit 嵌入 RAM。7电子科技大学本科学位论文Cyclone FPGA 支持各种单端 I/O 标准如 LVTTL、LVCMOS、PCI 和 SSTL-2/3，通过 LVDS 和 RSDS 标准提供多达 129 个通道的差分 I/O 支持。每个 LVDS 通道高达 640Mbps。Cyclone 器件具有双数据速率(DDR) SDRAM 和 FCRAM 接口的专用电路。Cyclone FPGA 中有两个锁相环(PLLs)提供六个输出和层次时钟结构，以及复杂设计的时钟管理电路16。结构功能如下表 2-4-1 所示：表 2-4-1 EP4CE6E22C8N 结构和功能芯片型号EP4CE6E22C8N逻辑单元 LEs6030M4K Memory Blocks26所有 RAM Bits276480PLLs2用户可用 I/O185基本串行主动配置器件EPCS4芯片家族信息Cyclone IV E2.4.2实验板资源介绍实验板如下图 2-4-2 实验板实物图所示：图 2-4-2 实验板实物图8第二章 EDA 原理概述和设计方法实验板包含的资源有1. 四个轻触按键2. 蜂鸣器3. Sdram 是现代的 HY57V281620A4. 138 译码的数码管，译码芯片为 74H1385. VGA 接口6. PS2 键盘接口7. USB 转串口接口8. 30pin 外接 IO，间距为 2.54mm 的接插件9. AS 接口用于烧写 FPGA 配置 FLASH。10. Jtag 调试接口，用于调试 FPGA11.FPGA 主芯片 Cyclone iv EP4CE6E22C812. DA 数模转换芯片是 TI 公司的 TLC562013. AD 模数转换芯片是 TI 公司的 TLC549 电位器来控制 AD 的模拟电压输入14. EEPROM 存储器15. 4 个 LED 灯实验板部分引脚分配情况如下：#set_global_assignment -name FAMILY Cyclone IV #set_global_assignment -name DEVICE ep4ce6e22c8nset_location_assignment PIN_23 -toclkset_location_assignment PIN_136 -to over set_location_assignment PIN_135 -to LED1 set_location_assignment PIN_133 -to LED2 set_location_assignment PIN_132 -to LED3set_location_assignment PIN_68 -tobeepset_location_assignment PIN_69 -toresetset_location_assignment PIN_70 -tokey1set_location_assignment PIN_71 -tokey2set_location_assignment PIN_72 -tokey3set_location_assignment PIN_73 -toeeprom_sclset_location_assignment PIN_74 -toeeprom_sdaset_location_assignment PIN_119 -tosel29电子科技大学本科学位论文set_location_assignment PIN_115 -to sel1 set_location_assignment PIN_114 -to sel0 set_location_assignment PIN_127 -to show0 set_location_assignment PIN_128 -to show1 set_location_assignment PIN_124 -to show2 set_location_assignment PIN_121 -to show3 set_location_assignment PIN_120 -to show4 set_location_assignment PIN_126 -to show5 set_location_assignment PIN_129 -to show6 set_location_assignment PIN_125 -to show7 set_location_assignment PIN_39 -to tsig2.5Quartus II 13.0 和 ModelSimaltera 介绍QuartusII 是 Altera 公司推出的新一代开发软件，适合于大规模逻辑电路设计，其设计流概括为设计输入、设计编译、设计仿真和设计下载过程。QuartusII 支持多种编辑输入法，包括图形编辑输入法,VHDL,VerilogHDL 和 AHDL 的文本编辑输入法，符号编辑输入法，以及内存编辑输入法17。QuartusII 与 MATLAB 和 DSP Builder 结合可以进行基于 FPGA 的 DSP 系统开发，是 DSP 硬件系统实现的关键 EDA 工具，与 SOPC Builder 结合，可实现 SOPC 系统开发18。Quartus(R) II 软件中的工程由所有设计文件和与设计有关的设置组成。可以使用 Quartus II BlockEditor、Text Editor、MegaWizard(R) Plug-In Manager（Tools 菜单）和 EDA 设计输入工具建立包括 Altera(R) 宏功能模块、参数化模块库 (LPM) 函数和知识产权 (IP) 函数在内的设计。可以使用 Settings 对话框（Assignments 菜单）和 Assignment Editor 设定初始设计约束条件19。Mentor 公司的 ModelSim 是业界最优秀的 HDL 语言仿真软件，它能提供友好的仿真环境，是业界唯一的单内核支持 VHDL 和 Verilog 混合仿真的仿真器。它采用直接优化的编译技术、Tcl/Tk 技术、和单一内核仿真技术，编译仿真速度快，编译的代码与平台无关，便于保护 IP 核，个性化的图形界面和用户接口，为用户加快调错提供强有力的手段，是 FPGA/ASIC 设计的首选仿真软件20。10第三章 频率测量方法与原理第三章 频率测量方法与原理3.1 采用纯硬件实现的测频方法仅用硬件的测量方法。图中晶体振荡提供了测量的时间基准，经放大整形后的测量信号进入计数器进行计数，再由显示电路显示数据结果。如框图 3-1 所示：图 3-1 频率计的工作模块上电时，由于输入信号的幅度是不一定为标准的 TTL 且电压是 5V 的信号，而计数器的输入信号的条件是 TTL 电平，所以在输入计数器之前必须对输入信号进行幅度调整，经过滤波放大（或限幅）以后才能变为可以测到的 5V 标准 TTL 信号。下一极为施密特触发电路，施密特触发电路的作用是为了提高精度，特别是输入信号的频率比较低的时候精度可以大大的得到提高，如果没有经过施密特触发电路。将出现闸门信号同时跨在两个高电平信号之间时，将造成计数多一的情况，如果加了施密特触发电路后使得待测信号的高电平的脉宽被变窄了，这样出现闸门信号同时跨在两个高电平信号之间的机率大大减少，从而精度得到提高。由标准时钟产生电路产生的时基信号产生电路被测信号由整形电路进入，整形后形成方波，送入闸门，待测脉冲送到闸门后再送入计数器，连接到七段数码管上进行显示。3.2 采用软件和硬件结合测量的方式3.2.1 由单片机实现的软硬件相结合的实现法主要的部件由单片机芯片、74HC164 驱动数码显示寄存器芯片、74LS48 位选芯片，放大电路，计数电路，LED 数码管和一些电容、电阻等组成。11电子科技大学本科学位论文测量过程中定时/计数器 T0 和 T1 的工作方式设置，由图可知，T0 是工作在计数状态下，对输入的频率信号进行计数，但对工作在计数状态下的 T0，最大计数值为 FOSC/24，由于 FOSC12MHz，因此：T0 的最大计数频率为 1MHz。对于频率的概念就是在一秒只数脉冲的个数，即为频率值。所以 T1 工作在定时状态下，每定时 1 秒中到，就停止 T0 的计数，而从 T0 的计数单元中读取计数的数值，然后进行数据处理。送到数码管显示出来。T1 工作在定时状态下，最大定时时间为 65ms，达不到 1 秒的定时，所以采用定时 50ms，共定时 20 次，即可完成1 秒的定时功能。如下图 3-2-1 所示图 3-2-1 采用单片机和硬件电路实现的方法3.2.2 采用 FPGA 实现的直接测频法直接测频法是最简单的、也是最基本的测量频率的方法。其原理就是在给定的闸门信号中填入脉冲，并通过一定的计数线路，得到所填充的脉冲的个数，从而算出待测信号的频率或者周期。其测量原理如图 2.1 所示：在测量的过程中，按照信号频率高低的不同，其测量方法分为两种。3.2.2.1 被测信号频率较高时此时，通常选用频率较低的一个标准频率信号作为闸门信号，而将被测信号作为填充脉冲，在固定的闸门时间内对其计数。设闸门宽度为 T，计数值为 N 则这种测量方法的频率测量为：fx =N（3-1）T测量误差主要决定于闸门时间 T 和计数器计数的数的准确度，因此，总的误差可以采用分项误差绝对值线性相加来表示，即12第三章 频率测量方法与原理Df x1Df cf xTf xf c（3-2）其中 1是最大量化误差的相对值，DN1，D N的产生是由于在测频时，TfxNTfxN闸门的开启时刻与计数脉冲之间的时间关系不相关造成的，即在相同的主门开启时间内，计数器所得的数不一定相同，当主门开启时间 T 接近甚至等于被测信号周期 Tx 的整数倍时，量化的误差最大，在数值上等于石英晶体振荡器所提供的标准频率的准确度，也是闸门时间的相对误差闸门时间 D TT 的准确度，即：DTDfcTfc（3-3）高频测量时的直接测频法原理图如下图 3-2-2 所示：被测信号 闸门图 3-2-2 直接测频法原理图3.2.2.2 被测信号频率较低时此时，通常选用被测信号作为闸门信号，而将频率较高的标准频率信号作为填充脉冲，进行计数。设计数值为 N，标准频率信号的频率为 fs，周期为 Ts。则这种测量方法的频率测量值为：fx =1NTS（3-4）误差主要为对标准频率信号计数产生的士 1 个字误差，在忽略闸门信号自身误差的情况下，测量精度为：Dfxfxfxfo（3-5）直接测频