【文章內(nèi)容簡介】 的快速適配編譯選項，可保留最佳性能的設置，加快了編譯過程，可縮短 50%的編譯時間，對設計性能的影響小。 (5)不足之處 軟件結構龐大，使用復雜，不如 MAX+PLUSII 簡單、易學易用。 6 2. 頻率測量 數(shù)字頻率計工作原理概述 數(shù)字頻率計的設計原理實際上是測量單位時間內(nèi)的周期數(shù)。 這種方法免去了實測以前的預測，同時節(jié)省了劃分頻段的時間，克服了原來高頻段采用測頻模式而低頻段采用測周期 模式的測量方法存在換擋速度慢的缺點。 采用一個標準的基準時鐘，在單位時間 (1s)里對被測信號的脈沖數(shù)進行計數(shù)，即為信號的頻率。由于閘門的起始和結束時刻對于信號來說是隨機的，將會有一個脈沖周期的量化誤差。進一步分析測量準確度：設待測信號脈沖周期為 Tx,頻率為 Fx，當測量時間為 T=1s 時，測量準確度為＆ =Tx/T=1/Fx。由此可知直接測頻法的測量準確度與信號的頻率有關：當待測信號頻率較高時，測量準確度也較高，反之測量準確度也較低。因此直接測頻法只適合測量頻率較高的信號，不能滿足在整個測量頻段內(nèi)的測量精度保持不 變的要求。 為克服低頻段測量的不準確問題，采用門控信號和被測信號對計數(shù)器的使能信號進行雙重控制，大大提高了準確度。當門控信號為 1 時，使能信號并不為 1，只有被測信號的上升沿到來時，使能端才開始發(fā)送有效信號，兩個計數(shù)器同時開始計數(shù)。當門控信號變?yōu)?0 時，使能信號并不是立即改變，而是當被測信號的下一個上升沿到來時才變?yōu)?，計數(shù)器停止計數(shù)。因此測量的誤差最多為一個標準時鐘周期。當采用 100MHz 的信號作為標準信號時，誤差最大為 。 計算每秒鐘內(nèi)待測信號脈沖個數(shù)。這就要求計數(shù)使能信號 TSTEN 能產(chǎn)生一 個 1 秒脈寬的周期信號，并對頻率計的每一計數(shù)器 t10 的 ENA 使能端進行同步控制。當TSTEN 為高電平時，允許計數(shù)；低電平時，停止計數(shù)，并保持其所計的數(shù)。在停止計數(shù)期間，首先需要一個鎖存信號 LOAD 的上跳沿將計數(shù)器在前 1 秒鐘的計數(shù)值鎖存進 7 32 位鎖存器 REG32B 中，并由外部的譯碼器譯出并穩(wěn)定顯示。鎖存信號之后，必須由清零信號 CLR_CNT 對計數(shù)器進行清零，為下一秒鐘的計數(shù)操作做準備。 當系統(tǒng)正常工作時，脈沖發(fā)生器提供的 1 Hz 的輸入信號，經(jīng)過測頻控制信號發(fā)生器進行信號的變換，產(chǎn)生計數(shù)信號，被測信號通過信號整 形電路產(chǎn)生同頻率的矩形波，送入計數(shù)模塊，計數(shù)模塊對輸入的矩形波進行計數(shù)，將計數(shù)結果送入鎖存器中，保證系統(tǒng)可以穩(wěn)定顯示數(shù)據(jù)，顯示譯碼驅動電路將二進制表示的計數(shù)結果轉換成相應的能夠在數(shù)碼顯示管上可以顯示的十進制結果。在數(shù)碼顯示管上可以看到計數(shù)結果 [3]。 頻率測量方案 采用等精度頻率測量法，測量精度保持恒定，不隨所測信號的變化而變化。在快速測量的要求下，要保證較高精度的測頻，必須采用較高的標準頻率信號。單片機受本身時鐘頻率和若干指令運算的限制，測頻速度較慢，無法滿足高速、高精度的測頻要求；而采用高集成度、高速的 現(xiàn)場可編程門陣列 FPGA 為實現(xiàn)高速、高精度的測頻提供了保證。 等精度 測頻原理 等精度測頻方法是在直接測頻方法的基礎上發(fā)展起來的。它的閘門時間不是固定的值，而是被測信號周期的整數(shù)倍，即與被測信號同步，因此， 避 除了對被測信號計數(shù)所產(chǎn)生 177。1 個字誤差，并且達到了在整個測試頻段的等精度測量。其測頻原理如圖 所示。在測量過程中，有兩個計數(shù)器分別對標準信號和被測信號同時計數(shù)。首先給出閘門開啟信號 (預置閘門上升沿 )，此時計數(shù)器并不開始計數(shù)，而是等到被測信號的上升沿到來時，計數(shù)器才真正開始計數(shù)。然后預置閘門關閉 信號 (下降沿 )到時，計數(shù)器并不立即停止計數(shù)，而是等到被測信號的上升沿到來時才結束計數(shù)，完成一次測量過程。可以看出，實際閘門時間 t 與預置閘門時間 t1 并不嚴格相等，但差值不超過被測信號的一個周期 [4]。 圖 等精度測頻原理波形圖 等精度測頻的實現(xiàn)方法可簡化為圖 所示。 CNT1 和 CNT2 是 兩個可控計數(shù)器，標準頻率信號從 CNT1 的時鐘輸入端 CLK 輸入；經(jīng)整形后的被測信號從 CNT2 的時鐘 8 輸入端 CLK 輸入。當預置門控信號為高電平時，經(jīng)整形后的被測信號的上升沿通過 D觸發(fā)器的 Q 端同時啟動 CNT1 和 CNT2。 CNT CNT2 同時對標準頻率信號和經(jīng)整形后的被測信號進行計數(shù)，分別為 NS與 NX。當預置門信號為低電平的時候，后而來的被測信號的上升沿將使兩個計數(shù)器同時關閉，所測得的頻率為 (FS/NS)*NX。則等精度測量方法測量精度與預置門寬度的標準頻率有關，與被測信號的頻率無關。在預置門時間和常規(guī)測頻閘門時間相同而被測信號頻率不同的情況下，等精度測量法的測量精度不變。 圖 等精度測頻實現(xiàn)原理 圖 本章小結 本章從各個方面說明了頻率計的 工作原理， 對 等精度 頻率計的實現(xiàn)，在理論上起到了作用。 3. 數(shù)字頻率計的系統(tǒng)設計與功能仿真 系統(tǒng)的總體設計 當系統(tǒng)正常工作時，由系統(tǒng)時鐘提供的 100MHz 的輸入信號，經(jīng)過信號源模塊，先通過 100 分頻產(chǎn)生 1MHZ 的時鐘信號，再將 1MHZ 的時鐘信號分頻產(chǎn)生多種頻率輸出，其中 1HZ 的輸出頻率被作為控制模塊的時鐘輸入， 7812HZ 的輸出頻率被作為顯示模塊的時鐘輸入，由控制模塊產(chǎn)生的計數(shù)使能信號 testen 和清零信號 clr 對計數(shù)模塊進行控制，而由其產(chǎn)生的鎖存信號 load 對鎖存模塊進行控制，一旦計數(shù)使能信號為高電平，并且時鐘上升沿到來，計數(shù) 器便開始正常計數(shù)，清零信號到來則計數(shù)清零，而當鎖存信號為高電平時，數(shù)據(jù)便被鎖存器鎖存，然后將鎖存的數(shù)據(jù)輸出到顯示模塊顯示出來，數(shù)據(jù)鎖存保證系統(tǒng)可以穩(wěn)定顯示數(shù)據(jù)，顯示譯碼驅動電路將二進制表示的計數(shù)結果轉換成相應的能夠在數(shù)碼顯示管上可以顯示的十進制結果。在數(shù)碼顯示管上可以看到計數(shù)結果。數(shù)字頻率計的原理框圖如圖 所示。主要由 5 個模塊組成，分別是：信號源模塊、 9 控制模塊、計數(shù)模塊、鎖存器模塊和顯示器模塊 [6]。 圖 數(shù)字頻率計的原理框圖 根據(jù)數(shù)字頻率計的系統(tǒng)原理， t 控制信號發(fā)生器。 testctl 的計數(shù)使能信號 testen 能產(chǎn)生一個 1 s 寬的周期信號，并對頻率計的每一計數(shù)器 Cnt10 的 ENA 使能端進行同步控制：當 testen 高電平時允許計數(shù)、低電平時停止計數(shù)。 reg32b為鎖存器。在信號 load的上升沿時，立即對模塊的輸入口的數(shù)據(jù)鎖存到 reg32b的內(nèi)部，并由 reg32b 的輸出端輸出，然后，七段譯碼器可以譯碼輸出。在這里使用了鎖存器，好處是可以穩(wěn)定顯示數(shù)據(jù)，不會由于周期性的清零信號而不斷閃爍。 Cnt10 為十進制計數(shù)器。有一時鐘使能輸入端 ENA，用于鎖定計數(shù)值。當高電平時允許計數(shù)，低電平時 禁止計數(shù)。將八個十進制計數(shù)器 Cnt10 級聯(lián)起來實現(xiàn) 8 位十進制計數(shù)功能 [2， 7] 。 disply 為七段譯碼顯示驅動電路，可以將頻率計數(shù)的結果譯成能在數(shù)碼管上顯示 的相對應的阿拉伯數(shù)字，便于讀取測量的結果。 為了實現(xiàn)系統(tǒng)功能，測頻控制信號發(fā)生器 testctl、計數(shù)器 Cnt鎖存器 reg32b 存在一個工作時序的問題，設計時需要綜合考慮。 8位數(shù)字頻率計的頂層框圖 （ ），設計實現(xiàn)包括信號源模塊（ F1MHZ、CNT） 、頻率計模塊（ FREQ）和顯示模塊（ display）三大模塊。下面分 別介紹三個模塊的結構和實現(xiàn)方法。 信號源模塊 信號源是為了產(chǎn)生 1MHz 的門控信號和待測的定頻信號，而對輸入系統(tǒng)時鐘 clk 10 （ 50MHz）進行分頻的模塊，設計源代碼 對輸入系統(tǒng)時鐘 clk（ 50MHz）進行分頻產(chǎn)生 1MHz 信號。 PIN1MHZ的封裝圖如 ，圖中 CLKIN為接入的 100MHZ信號，圖中 CLKOUT為接到 CNT 的 CLK 的 1MHZ 的信號。 clkin clkoutPI N1M HZ_1ins t 圖 PIN1MHZ封裝圖 PIN1MHZ 的工作時序 仿真 圖如圖 所示 。 圖 信號源模塊仿真圖 從 PIN1MHZ 的工作時序 仿真圖可以看出： 由系統(tǒng)時鐘提供的 100MHz 的輸入信號，經(jīng)過信號源模塊，通過 100 分頻產(chǎn)生 1MHZ 的時鐘信號 ，達到了設計所需的預期效果。 分頻器 此程序要求將 1MHZ的輸入頻率分別進行 21分頻 (產(chǎn)生 500KHZ的輸出頻 freq500k)、23分頻 (產(chǎn)生 125 KHZ的輸出頻率 freq125k)、 25 分頻 (產(chǎn)生 31250HZ的輸出頻 freq31250)、27分頻 (產(chǎn)生 7812HZ的輸出頻率 freq7812)、 29分頻 (產(chǎn)生 1953HZ的輸出頻率 freq1953)、 211分頻 (產(chǎn)生 488HZ的輸出頻率 freq488)、 213分頻 (產(chǎn)生 1HZ的輸出頻率 freq1)。 CNT的封裝圖如圖 ，圖中 CLK為 PIN1MHZ輸入的 1MHZ信號， freq1為輸出給控制信號發(fā)生器的 1HZ信號， 7812HZ的輸出頻率 freq7812被作為顯示模塊的時鐘輸入， freq 48 freq195 freq31250、 freq125K、 freq500K作 為待測信號。 11 clk f req1f req488f req1953f req7812f req3125 0f req125kf req500ktins t 圖 CNT 的工作時序仿真圖如圖 所示 。 圖 CNT 的 時序仿真圖 當 1MHZ 頻率波形輸入后 ，分別產(chǎn)生了設計所需要的 500KHZ 的輸出頻 freq500k，125 KHZ 的輸出頻率 freq125k， 31250HZ 的輸出頻 freq31250， 7812HZ 的輸出頻率freq7812， 1953HZ 的輸出頻率 freq1953， 488HZ 的輸出頻率 freq488， 1HZ 的輸出頻率freq1。 測頻控制信號產(chǎn)生器 控制模塊的作用是產(chǎn)生測頻所需要的各種控制信號。控制信號的標準輸入時鐘為1HZ,每兩個時鐘周期進行一次頻率測量。該模塊產(chǎn)生的 3 個控制信號，分別為TSTEN,LOAD, 信號用于在每次測量開始時，對計數(shù)器進行復位，以清除上次測量的結 果，該復位信號高電平有效，持續(xù)半個時鐘周期的時間。 TSTEN為計數(shù)允許信號，在 TSTEN 信號的上升沿時刻計數(shù)模塊開始對輸入信號的頻率進行測量，測量時間恰為一個時鐘周期 (正好為單位時間 1s)，在此時間里被測信號的脈沖數(shù)進行計數(shù)，即為信號的頻率。然后將值鎖存，并送到數(shù)碼管顯示出來。設置鎖存器的好處是使顯示的數(shù)據(jù)穩(wěn)定，不會由于周期性的清零信號而不斷閃爍。在每一次測量開始時， 12 都必須重新對計數(shù)器清 0[7]。 測頻控制產(chǎn)生器如圖 ，圖中 CLK 接 CNT 的 FREQ1 的 1HZ 的信號， TSTEN 為計數(shù)允許信號，接計數(shù)器 CNT10 的 ENA， CLR_CNT 信號用于在每次測量開始時，對計數(shù)器進行復位，接計數(shù)器 CNT10 的 CLR， LOAD 接鎖存器的 LOAD。 C LK TSTENC LR _C N TLO ADTESTC TLinst 圖 TESTCTL 的封裝圖 測頻控制信號發(fā)生器 TESTCTL 的工作時序圖，控制模塊的幾個控制信號的時序關系圖如圖 所示。 圖 TESTCTL的時序仿真圖 從