等精度频率计相位设计

1、等精度频率计/相位计设计小组成员：江陪：0803741152操彬彬：08037411551 实验目的：基于传统测频原理的频率计的测量精度将随被测信号频率的下降而降低，即测量精度随被测信号频率的变化而变化，在实用中有很大的局限性，故本次实验就是为了设计一个等精度频率计，它不仅具有较高的测量精度，且在整个频率区能保持恒定的测量精度。2 设计项目指标：1. 频率测试功能：测频范围0.1HZ100MHZ.测频精度：测频全域相对误差恒为百分之一。2. 脉宽测试功能：测试范围0.1us1s,测试精度0.01us。3. 占空比测试功能：测试（显示）精度1%99%。4. 相位测试功能：测试范围0360，测试精

2、度0.2。3 实验原理：1. 主系统设计：1） 函数发生器输出TTL波形，通过tclk进入fpga;2） 测频测相部分由fpga内部完成；3） 单片机电路模块：用stm32单片机的按键控制GPIOE口，控制FPGA测频/测相的切换，GPIOF口读取FPGA的数据。4） 键盘模块：用stm32键盘的0、1、2、3、4控制fpga的clr,cl,spul的输入，从而起到切换测频/测相的作用。5） 显示模块：用stm32上的液晶显示从fpga读取的数据值。2. 主系统测频测相原理：1） 测频：首先，进行初始化：单片机发出一个清零信号clr,使两个计数器和D触发器置0， 同时D触发器通过信号ena,禁

3、止两个计数器计数。其次，从tclk端接入ttl波形，函数单片机发出允许测频指令，即cl置高，spul置高。读取数据用了一个64-16多路选择器，设置了一个sel端，并用单片机的GPIOE口的3、4端来作控制。2） 测相：控制单片机按键，从而改变GPIOE口的0、1、2口的电平值，对fpga进行控制。使spul置0,切换cl，从而测量tclk的高低电平脉宽。4 VHDL程序实现：library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity etester isgeneric (n:integer:=

4、500);port(bclk:in std_logic;-tclk:in std_logic;clr:in std_logic;cl:in std_logic;spul: in std_logic;start: out std_logic;eend: out std_logic;sel:in std_logic_vector(1 downto 0);data: out std_logic_vector(15 downto 0);end etester;architecture one of etester is -signal count0:integer range (n-1) downto

5、 0 ; signal count1:integer range (n-1) downto 0 ;signal bzq:std_logic_vector(31 downto 0);signal tsq:std_logic_vector(31 downto 0);signal ena,tclk:std_logic;signal ma,clk1,clk2,clk3:std_logic;signal q1,q2,q3,bena,pul:std_logic;signal ss:std_logic_vector(1 downto 0);beginprocess(bclk)beginif bclkeven

6、t and bclk=1 thenif(count1=n) then count1=0;else count1=count1+1;end if;if (count1(integer(n/2) )then tclk=1;else tclk=0;end if;end if;end process;start=ena;data= bzq(15 downto 0)when sel=00elsebzq(31 downto 16)when sel=01elsetsq(15 downto 0)when sel=10elsetsq(31 downto 16)when sel=11else00000100100

7、10000;bzh:process(bclk,clr)beginif clr=1then bzq0);elsif bclkevent and bclk=1thenif bena=1then bzq=bzq+1;end if;end if;end process;tf:process(tclk,clr,ena)beginif clr=1then tsq0);elsif tclkevent and tclk=1thenif ena=1 then tsq=tsq+1;end if;end if;end process;process(tclk,clr)beginif clr=1then ena=0;

8、elsif tclkevent and tclk=1 then ena=cl;end if;end process;ma=(tclk and cl)or not(tclk or cl);clk1=not ma;clk2=ma and q1;clk3=not clk2;ss=q2&q3;dd1:process(clk1,clr)beginif clr=1then q1=0;elsif clk1event and clk1=1then q1=1;end if;end process;dd2:process(clk2,clr)beginif clr=1then q2=0;elsif clk2even

9、t and clk2=1then q2=1;end if;end process;dd3:process(clk3,clr)begin if clr=1then q3=0;elsif clk3event and clk3=1then q3=1;end if;end process;pul=1when ss=10else0;eend=1when ss=11else0;bena=ena when spul=1elsepul when spul=0elsepul;end one;5、 单片机的接口部分： 根据上面原理框图的连接方式，fpga与单片机的接口如下：1、 单片机的GPIOF口的1-16位接

10、fpga的16位数据输出端，负责读取测频数据。2、 单片机可以通过信号start，了解计数是否结束，以确定何时可以读取数据。3、 在测脉宽阶段（spul=0），EEND的功能与START基本相同，当其由低电平变到高电平时指示脉宽结束。4、 GPIOE的3、4端口与sel1.0相接，用于控制多路通道的数据选择。当sel为“00”，“01”时，由低16位到高16位读出标准频率计数值；当sel为“10”，“11”时，由低16位到高16位读出待测频率计数值。5、 GPIOE的0位接清零信号clr,高定平有效。每一个测频周期开始时，都应该首先清0。6、 GPIOE的1、2位分别接控制信号cl与spul。

11、当spul为1时，cl作为预置门控信号，用于测频计数的时间控制；当spul为0时，cl作为测脉宽控制信号。这时，cl若为1，测tclk的高电平脉宽，当cl为0时，测tclk的低电平脉宽。然后分别从data数据端口读出bzh对标准频率的计数。6、 时序仿真:1. 测频时spul=1,clr=0,cl=1,令bclk=50MHZ, tclk是bclk 100分频的时钟，仿真结果如下：由仿真波形可以看出：当sel=“00”时，data=1010；当sel=“01”时，data=0；当sel=“10”时，data=10；当sel=“11”时，data=0；由此可以知道，bclk与tclk的计数比值为：

12、1010/10=101；这与实际设定的100分频，即100倍基本吻合，正好多了一个+-1误差。所以仿真结果正确。2、 测相时令spul=0,clr=01）当cl=1时，测tclk的高电平脉宽，仿真波形如下：由波形可知：当sel=00时，data=51,当sel=01时，data=0；即高电平计数值为51次2） 当cl=0时，测tclk低电平脉宽，仿真波形如下：由波形可知：当sel=00时，data=51,当sel=01时，data=0；即高电平计数值为51次总结：由1），2）仿真结果可知，tclk占空比为51/（51+51）=50%，与仿真所设定的波形相吻合。仿真结果正确。7、 实际测量：bc

13、lk由fpga系统时钟50MHZ提供，tclk又信号源提供TTL电平。以测频为例，实测如下：sel=00,测得bclk计数的低16位，即bzh=n1;Sel=01,测得bclk计数的高16位，即bzh=n2;sel=10,测得tclk计数的低16位，即tsq=n3;sel=00,测得bclk计数的低16位，即tsq=n4;测得计数的比值为x=(N1+N2*65536)/(N3+N4*65536),所测频率为f=Fbclk/X;tclk(hz)1001k10k100K1MN14143122255618306278462751N275555N317787817810N400000x500183.0049990.714994.25499.9549.99F(hz)99.9961.00019k10.011k100.01k1.0002M测量误差0.004%0.019%0.11%0.01%0.02%由实测表格中误差可知：从100HZ到1MHZ的测量误差均小于1%，满足题目要求。8、 实验总结：通过本次实验，我们领会了等精度测量的原理及应用，并且通过实测验证了它的准确性。现在，做每一个题目都充满了乐趣与挑战，