【正文】 時(shí)基發(fā)生器提供。 附錄 8 電子計(jì)數(shù)器測頻方法 目前，絕大多數(shù)實(shí)驗(yàn)室用電子計(jì)數(shù)器都具有測量頻率 (測頻 )和測量周期 (測周 )等兩種以上的測量功能，故統(tǒng)稱“通用計(jì)數(shù)器 .各種測量功能可利用《功能選擇》開關(guān)加以選擇。采用 133銫 ( 133Cs )原子基態(tài)的兩個(gè)超精細(xì)能級之間躍遷所對應(yīng)的 9 192 631 770 個(gè)周期的持續(xù)時(shí)間為一秒，以此為標(biāo) 準(zhǔn)定出的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)稱為原子時(shí) (記作 AT)，其準(zhǔn)確度可達(dá) 1310? 。這樣，以 2UT 為標(biāo)準(zhǔn)其計(jì)時(shí)準(zhǔn)確度很難優(yōu)于 8103 ?? 。將太陽日分為24 60 60 份，得到的秒為零類世界時(shí) (記作 0UT )，其準(zhǔn)確度在 610? 量級。要計(jì)量時(shí)間需要有固定不變的時(shí)間單位，用秒作為時(shí)間的基本單位。 第二章 數(shù)字式頻率計(jì)的總體設(shè)計(jì) 測量原理 簡述 附錄 7 在電子技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)，頻率是一個(gè)最基本的參數(shù)，頻率與其它許多電參量的測量方案、測量結(jié)果都有十分密切的關(guān)系。 b、采用記憶顯示方法，即在一次測試結(jié)束時(shí)，顯示測試結(jié)果，此顯示值一直保留到下次測量顯示數(shù)到來，才將上次顯示沖刷更新。 第三檔：閘門時(shí)間為 時(shí)，最大讀數(shù)為 。 測試頻率范圍為： 10Hz～ 1MHz。 技術(shù)指標(biāo)要求 本課題核心任務(wù)是完成基于 FPGA 利用 VHDL 語言設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)，仿真，下載實(shí)現(xiàn)并實(shí)際測量效果，同時(shí)要熟悉和掌握 SpartanII 這塊板子的各種性能。常用的順序描述語句：賦值語句； if 語句； case 語句； loop 語句； next 語句； exit 語句；子程序； return語句； wait 語句； null 語句。 VHDL 語言基本語句分為順序（ sequential）描述語句和并發(fā) (concurrent)描述語句。 VHDL 語言四類語言要素是指數(shù)據(jù)對象（ data object）、數(shù)據(jù)類型（ data type）、操作數(shù)（ operands）和操作符（ operator）。由于 VHDL 語言具有支持大規(guī)模設(shè)計(jì)和再利用已有設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)，因此使用 VHDL 語言來設(shè)計(jì)數(shù)字系統(tǒng)已成為一種潮流。 而采用的傳統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)方法有利于電子電路 初學(xué)者加強(qiáng)對電路原理，器件資料，電路板設(shè)計(jì)和電路的硬件調(diào)試的認(rèn)識(shí)和理解。1 誤差 ....................................................9 標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差 ...............................................10 結(jié)論 .......................................................10 測量周期的必要性 ...............................................11 測量周期的基本原理 .........................................11 附錄 3 誤差分析 ...................................................12 倒數(shù)計(jì)數(shù)器 .................................................13 等精度測量 .......................................................14 2 方案設(shè)計(jì) ???????????????????????????? ..8 第三章 數(shù)字式頻率計(jì)的單元電路設(shè)計(jì) 1 各模塊的功能及實(shí)現(xiàn) .......................................................16 晶體振蕩電路 .......................................................16 分頻器 .............................................................17 波形整形電路 .......................................................19 閘門選擇器 .........................................................20 測頻控制器 .........................................................21 頻率計(jì)數(shù)器 .........................................................23 鎖存器 .............................................................25 掃描顯示控制譯碼系統(tǒng) ...............................................26 第四章 數(shù)字式頻率計(jì)的實(shí)現(xiàn) 頂層原理圖 ..............................................................30 分配引腳和下載實(shí)現(xiàn) ......................................................31 測試結(jié)果 ................................................................31 結(jié)論 ....................................................................31 心得體會(huì)： ..............................................................32 第一章 引 言 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法概述 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)是高層次設(shè)計(jì)，概念驅(qū)動(dòng)式設(shè)計(jì)，無須通過門級原理圖描述電路，而是針對設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行功能描述，由于擺脫了電路細(xì)節(jié)的束縛，設(shè)計(jì)人員可以把精力集中于創(chuàng)造性的概念構(gòu)思與方案上，一旦這些概念構(gòu)思以高層次的形式輸入電腦后， EDA 系統(tǒng)就能以規(guī)則驅(qū)動(dòng)的方式自動(dòng)完成整個(gè)設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)的頻率計(jì)能準(zhǔn)確的測量頻率在 10Hz 到 1MHz 之間的信號(hào)。通過放大整形電路被測信號(hào)變成脈沖信號(hào)，而閘門選擇電路產(chǎn)生不同開通時(shí)間T,由分頻器電路提供時(shí) 基信號(hào)，作為時(shí)間基準(zhǔn)。門控電路產(chǎn)生閘門開通、計(jì)數(shù)器清零和鎖存器的鎖存信號(hào)，計(jì)數(shù)器將被測信號(hào)的頻率以十進(jìn)制的形式記下來，鎖存器將十進(jìn)制計(jì)數(shù)器所計(jì)得的數(shù)形式記下來，掃描顯示控制譯碼系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)消隱無意義零輸出結(jié)果的數(shù)字顯示。使用 ModelSim 仿真軟件對 VHDL 程序做了仿真，并完成了綜合布局布線，最 終下載到芯片 SpartanII 上取得良好測試效果?？?編程邏輯器件和 EDA 技術(shù)使 傳統(tǒng) 設(shè)計(jì)方法發(fā)生了質(zhì)的變化 ,把以前 “ 電路設(shè)計(jì) +硬件搭配 +調(diào)試焊接 ” 轉(zhuǎn)化為 “ 功能設(shè)計(jì) +軟件模擬 +仿真下載 ”。基于基本 FPGA 設(shè)計(jì)電路的方法是學(xué)習(xí)電路知識(shí)的必經(jīng)階段，對培養(yǎng)電路設(shè)計(jì)能力有很大的好處。 VHDL 語 言 程 序 基 本 結(jié) 構(gòu) 如 圖 1 ， 包括實(shí)體（ Entity）、結(jié)構(gòu)體（ Architecture）、配置（ Configuration）、庫（ Library）、程序包（ Package）。數(shù)據(jù)對象包括常量、變量和信號(hào)三種，其中除變附錄 5 量是局部量外，其他都是全局量。硬件執(zhí)行時(shí)一般是并發(fā)執(zhí)行，而仿真執(zhí)行時(shí)采用順序執(zhí)行或并發(fā)執(zhí)行均可。并發(fā)描述語句的執(zhí)行順序與書寫順序無關(guān)?？紤]到是首次接觸 VHDL 描述語言，并且以前沒有過基于 FPGA 設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，所以在完成課題的同時(shí)，也不斷的加深對 VHDL 描述語言的掌握，以及不斷總結(jié)由軟件來實(shí)現(xiàn)硬件的特點(diǎn)，為以后的工作和 更進(jìn)一步的學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ)。擴(kuò)展 1MHz～ 100MHz。 以上三檔 ,實(shí)際測得的頻率是 10Hz～ 。用第二次測試結(jié)果，更新顯示值。因此，頻率的測量就顯得更為重要 .而且，目前在電子測量中，頻率的測量精確度是最高的。如果一秒內(nèi)的振動(dòng)數(shù)即頻率為已知，則可由 此振動(dòng)數(shù)的倒數(shù)得到秒的間隔，這就是說單位秒和標(biāo)準(zhǔn)頻率數(shù)是互相依存的事物。地球自轉(zhuǎn)受到極運(yùn)動(dòng) (極移引起的經(jīng)度變化 )的影響，校正了這個(gè)偏差而得到的地球自轉(zhuǎn)的周期，稱為第一世界時(shí) (記作 1UT )。 為了得到更準(zhǔn)確的均勻不變的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，人們以 回歸年的 31 556 925 9747 分之一作為歷書時(shí)的秒 (記作 ET)，其準(zhǔn)確度可達(dá) 9101 ??? 左右。 目前，國際上已經(jīng)應(yīng)用經(jīng)過原子標(biāo)準(zhǔn)修正過的時(shí)間來發(fā)送時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，用原子時(shí)來對天文時(shí) ( 2UT 、 ET)進(jìn)行修正。 電子計(jì)數(shù)器的測頻原理 所謂“頻率”，就是周期性信號(hào)在單位時(shí)間 (一秒 )內(nèi)變化的次數(shù)。時(shí)基信號(hào)發(fā)生一個(gè)高穩(wěn)定的石英振 蕩器和一系列數(shù)字分頻器組成，由它輸出的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間脈沖 (時(shí)標(biāo) )去控制門控電路形成門控信號(hào)。 從以上討論可知，電子計(jì)數(shù)器的測頻原理實(shí)質(zhì)上以比較法為基礎(chǔ)，它將 xf 和時(shí)基信號(hào)頻率相比，兩個(gè)頻率相比的結(jié)果以數(shù)字的形式顯示出來?，F(xiàn)分述如下。 圖 42 正負(fù) 1 誤差 若主門開啟時(shí)刻為 0T ，而第 1 個(gè)計(jì)數(shù)脈沖出現(xiàn)在 xT ，圖 42 (a)中示出了 xT 0T 0的情況 ( 0TTT x ??? )，這時(shí)計(jì)數(shù)器計(jì)得 N 個(gè)數(shù) (圖中 N=6)；現(xiàn)在再來看圖 42 (b)情況，即 T? 趨近于 0，這就有兩種可能的計(jì)數(shù)結(jié)果：若第 1 個(gè)計(jì)數(shù)脈沖和第 7 個(gè)計(jì)數(shù)脈沖都能通過主門，則可計(jì)得 N+1=7 個(gè)數(shù)；也可能這兩個(gè)脈沖都沒有能進(jìn)入主門，則只能計(jì)得 N1=5個(gè)數(shù)。 1 個(gè)計(jì)數(shù)單位，故稱“177。 1 誤差對測頻誤差的影響。 通常，對標(biāo)準(zhǔn)頻率準(zhǔn)確度ccff? 的要求是根據(jù)所要求的測頻準(zhǔn)確度提出來的，例如，當(dāng)測量方案的最小計(jì)數(shù)單位為 1Hz，而 xf = 610 Hz，在 T=1s 時(shí)的測量準(zhǔn)確度為 6101 ??? (只考慮 1? 誤差 )，為了使標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差不對測量結(jié)果表明產(chǎn)生影響，石英振蕩器的輸出頻率準(zhǔn)確度ccff? 應(yīng)優(yōu)于 7101 ?? ，即比 1? 誤差引起的測頻誤差小一個(gè)量級。而當(dāng) T 選定后， xf越高，則由于 1? 誤差對測量結(jié)果的影響越小，測量準(zhǔn)確度就越高。 測量周期的基本原理 計(jì)數(shù)器測量周期的原理方框圖如圖 44 所示。 圖 45 示出了測周時(shí)的誤差曲線，圖中三條曲線，其中 10xT 和 100xT 兩條線是采用多周期測量 (詳后 )時(shí)的誤差曲線。圖 46 示出了一種倒數(shù)計(jì)數(shù)器的簡化方框圖。將公式 (49)代入公式 (48)可得 附錄 14 ncxf ffN 10? (410) 從公式 (410)可見 ,主門 II 和計(jì)數(shù)器 II 實(shí)際上工作在測頻模 式，其輸入頻率就是xf (注意：由于測周期模式計(jì)得的數(shù) N 本身存在 1? 誤差，故嚴(yán)格來講輸入頻率并非準(zhǔn)確地等于 xf )，且工作在同步計(jì)數(shù)方式 ,即加到主門 II 的 xf 和 cf 同步。這兩種方法由誤差分析可知，其精度都與被測信號(hào)的有關(guān)，因而它們是非等精度測量法。預(yù)置閘門關(guān)閉時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)并不立即停止計(jì)數(shù)，而是等檢測到被測信號(hào)脈沖沿到達(dá)時(shí)才停止，完成被測信號(hào)整數(shù)個(gè)周期的測量。 (411) 由于實(shí)際閘門時(shí)間τ是由被測信號(hào)同步過的，因此在此期間測得的被測信號(hào)周期的整數(shù)倍 xN 是準(zhǔn)確的，不存在 1? 誤差。 ?????? (415) 可以看出，在 M/T 法中，相對誤差與被測信號(hào)本身的頻率特性 無關(guān)，即對整個(gè)測量域而言，測量精度相等，因而稱之為 “ 等精度測量 ” 。同時(shí)在實(shí)際閘門信號(hào)關(guān)斷的時(shí)間里，計(jì)數(shù)控制器產(chǎn)生一個(gè)清數(shù)脈沖，用以清除計(jì)數(shù)器內(nèi)的計(jì)數(shù)值，以備下一次計(jì)數(shù)，該清零脈沖同時(shí)還作為一次計(jì)數(shù)結(jié)束后，將計(jì)數(shù)值進(jìn)行計(jì)算，譯碼顯示的鎖存信號(hào)，不然，數(shù)碼管的顯示將因?yàn)閿?shù)值的不停跳動(dòng)而無法看清楚。其驅(qū)動(dòng)電路如下所示： 圖 4－ 10 晶體振蕩器驅(qū)動(dòng)電路 附錄 17 分頻器 分頻器的功能是提供標(biāo)準(zhǔn)閘門時(shí)間控制信號(hào)以精確控制計(jì)數(shù)器的開閉。但十進(jìn)制例外，輸出雖為四位，但輸入 /輸出比為 1﹕ 10。這樣做可以實(shí)現(xiàn)程序的調(diào)用，只需要修改少量的地方就可以實(shí)現(xiàn)不同的分頻需要。 use 。 end。 begin process (f_in) begin if f_in39。 else t = 1。 end process。生成的模塊如圖所示：