【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 的快速適配編譯選項(xiàng)，可保留最佳性能的設(shè)置，加快了編譯過(guò)程，可縮短 50%的編譯時(shí)間，對(duì)設(shè)計(jì)性能的影響小。 (5)不足之處 軟件結(jié)構(gòu)龐大，使用復(fù)雜，不如 MAX+PLUSII 簡(jiǎn)單、易學(xué)易用。 6 2. 頻率測(cè)量 數(shù)字頻率計(jì)工作原理概述 數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)原理實(shí)際上是測(cè)量單位時(shí)間內(nèi)的周期數(shù)。 這種方法免去了實(shí)測(cè)以前的預(yù)測(cè)，同時(shí)節(jié)省了劃分頻段的時(shí)間，克服了原來(lái)高頻段采用測(cè)頻模式而低頻段采用測(cè)周期 模式的測(cè)量方法存在換擋速度慢的缺點(diǎn)。 采用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)時(shí)鐘，在單位時(shí)間 (1s)里對(duì)被測(cè)信號(hào)的脈沖數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，即為信號(hào)的頻率。由于閘門(mén)的起始和結(jié)束時(shí)刻對(duì)于信號(hào)來(lái)說(shuō)是隨機(jī)的，將會(huì)有一個(gè)脈沖周期的量化誤差。進(jìn)一步分析測(cè)量準(zhǔn)確度：設(shè)待測(cè)信號(hào)脈沖周期為 Tx,頻率為 Fx，當(dāng)測(cè)量時(shí)間為 T=1s 時(shí)，測(cè)量準(zhǔn)確度為＆ =Tx/T=1/Fx。由此可知直接測(cè)頻法的測(cè)量準(zhǔn)確度與信號(hào)的頻率有關(guān)：當(dāng)待測(cè)信號(hào)頻率較高時(shí)，測(cè)量準(zhǔn)確度也較高，反之測(cè)量準(zhǔn)確度也較低。因此直接測(cè)頻法只適合測(cè)量頻率較高的信號(hào)，不能滿(mǎn)足在整個(gè)測(cè)量頻段內(nèi)的測(cè)量精度保持不 變的要求。 為克服低頻段測(cè)量的不準(zhǔn)確問(wèn)題，采用門(mén)控信號(hào)和被測(cè)信號(hào)對(duì)計(jì)數(shù)器的使能信號(hào)進(jìn)行雙重控制，大大提高了準(zhǔn)確度。當(dāng)門(mén)控信號(hào)為 1 時(shí)，使能信號(hào)并不為 1，只有被測(cè)信號(hào)的上升沿到來(lái)時(shí)，使能端才開(kāi)始發(fā)送有效信號(hào)，兩個(gè)計(jì)數(shù)器同時(shí)開(kāi)始計(jì)數(shù)。當(dāng)門(mén)控信號(hào)變?yōu)?0 時(shí)，使能信號(hào)并不是立即改變，而是當(dāng)被測(cè)信號(hào)的下一個(gè)上升沿到來(lái)時(shí)才變?yōu)?，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。因此測(cè)量的誤差最多為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘周期。當(dāng)采用 100MHz 的信號(hào)作為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)時(shí)，誤差最大為 。 計(jì)算每秒鐘內(nèi)待測(cè)信號(hào)脈沖個(gè)數(shù)。這就要求計(jì)數(shù)使能信號(hào) TSTEN 能產(chǎn)生一 個(gè) 1 秒脈寬的周期信號(hào)，并對(duì)頻率計(jì)的每一計(jì)數(shù)器 t10 的 ENA 使能端進(jìn)行同步控制。當(dāng)TSTEN 為高電平時(shí)，允許計(jì)數(shù)；低電平時(shí)，停止計(jì)數(shù)，并保持其所計(jì)的數(shù)。在停止計(jì)數(shù)期間，首先需要一個(gè)鎖存信號(hào) LOAD 的上跳沿將計(jì)數(shù)器在前 1 秒鐘的計(jì)數(shù)值鎖存進(jìn) 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(hào)之后，必須由清零信號(hào) CLR_CNT 對(duì)計(jì)數(shù)器進(jìn)行清零，為下一秒鐘的計(jì)數(shù)操作做準(zhǔn)備。 當(dāng)系統(tǒng)正常工作時(shí)，脈沖發(fā)生器提供的 1 Hz 的輸入信號(hào)，經(jīng)過(guò)測(cè)頻控制信號(hào)發(fā)生器進(jìn)行信號(hào)的變換，產(chǎn)生計(jì)數(shù)信號(hào)，被測(cè)信號(hào)通過(guò)信號(hào)整 形電路產(chǎn)生同頻率的矩形波，送入計(jì)數(shù)模塊，計(jì)數(shù)模塊對(duì)輸入的矩形波進(jìn)行計(jì)數(shù)，將計(jì)數(shù)結(jié)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(qū)動(dòng)電路將二進(jìn)制表示的計(jì)數(shù)結(jié)果轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的能夠在數(shù)碼顯示管上可以顯示的十進(jìn)制結(jié)果。在數(shù)碼顯示管上可以看到計(jì)數(shù)結(jié)果 [3]。 頻率測(cè)量方案 采用等精度頻率測(cè)量法，測(cè)量精度保持恒定，不隨所測(cè)信號(hào)的變化而變化。在快速測(cè)量的要求下，要保證較高精度的測(cè)頻，必須采用較高的標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)。單片機(jī)受本身時(shí)鐘頻率和若干指令運(yùn)算的限制，測(cè)頻速度較慢，無(wú)法滿(mǎn)足高速、高精度的測(cè)頻要求；而采用高集成度、高速的 現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列 FPGA 為實(shí)現(xiàn)高速、高精度的測(cè)頻提供了保證。 等精度 測(cè)頻原理 等精度測(cè)頻方法是在直接測(cè)頻方法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。它的閘門(mén)時(shí)間不是固定的值，而是被測(cè)信號(hào)周期的整數(shù)倍，即與被測(cè)信號(hào)同步，因此， 避 除了對(duì)被測(cè)信號(hào)計(jì)數(shù)所產(chǎn)生 177。1 個(gè)字誤差，并且達(dá)到了在整個(gè)測(cè)試頻段的等精度測(cè)量。其測(cè)頻原理如圖 所示。在測(cè)量過(guò)程中，有兩個(gè)計(jì)數(shù)器分別對(duì)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)和被測(cè)信號(hào)同時(shí)計(jì)數(shù)。首先給出閘門(mén)開(kāi)啟信號(hào) (預(yù)置閘門(mén)上升沿 )，此時(shí)計(jì)數(shù)器并不開(kāi)始計(jì)數(shù)，而是等到被測(cè)信號(hào)的上升沿到來(lái)時(shí)，計(jì)數(shù)器才真正開(kāi)始計(jì)數(shù)。然后預(yù)置閘門(mén)關(guān)閉 信號(hào) (下降沿 )到時(shí)，計(jì)數(shù)器并不立即停止計(jì)數(shù)，而是等到被測(cè)信號(hào)的上升沿到來(lái)時(shí)才結(jié)束計(jì)數(shù)，完成一次測(cè)量過(guò)程?？梢钥闯?，實(shí)際閘門(mén)時(shí)間 t 與預(yù)置閘門(mén)時(shí)間 t1 并不嚴(yán)格相等，但差值不超過(guò)被測(cè)信號(hào)的一個(gè)周期 [4]。 圖 等精度測(cè)頻原理波形圖 等精度測(cè)頻的實(shí)現(xiàn)方法可簡(jiǎn)化為圖 所示。 CNT1 和 CNT2 是 兩個(gè)可控計(jì)數(shù)器，標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)從 CNT1 的時(shí)鐘輸入端 CLK 輸入；經(jīng)整形后的被測(cè)信號(hào)從 CNT2 的時(shí)鐘 8 輸入端 CLK 輸入。當(dāng)預(yù)置門(mén)控信號(hào)為高電平時(shí)，經(jīng)整形后的被測(cè)信號(hào)的上升沿通過(guò) D觸發(fā)器的 Q 端同時(shí)啟動(dòng) CNT1 和 CNT2。 CNT CNT2 同時(shí)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)和經(jīng)整形后的被測(cè)信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，分別為 NS與 NX。當(dāng)預(yù)置門(mén)信號(hào)為低電平的時(shí)候，后而來(lái)的被測(cè)信號(hào)的上升沿將使兩個(gè)計(jì)數(shù)器同時(shí)關(guān)閉，所測(cè)得的頻率為 (FS/NS)*NX。則等精度測(cè)量方法測(cè)量精度與預(yù)置門(mén)寬度的標(biāo)準(zhǔn)頻率有關(guān)，與被測(cè)信號(hào)的頻率無(wú)關(guān)。在預(yù)置門(mén)時(shí)間和常規(guī)測(cè)頻閘門(mén)時(shí)間相同而被測(cè)信號(hào)頻率不同的情況下，等精度測(cè)量法的測(cè)量精度不變。 圖 等精度測(cè)頻實(shí)現(xiàn)原理 圖 本章小結(jié) 本章從各個(gè)方面說(shuō)明了頻率計(jì)的 工作原理， 對(duì) 等精度 頻率計(jì)的實(shí)現(xiàn)，在理論上起到了作用。 3. 數(shù)字頻率計(jì)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與功能仿真 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) 當(dāng)系統(tǒng)正常工作時(shí)，由系統(tǒng)時(shí)鐘提供的 100MHz 的輸入信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)源模塊，先通過(guò) 100 分頻產(chǎn)生 1MHZ 的時(shí)鐘信號(hào)，再將 1MHZ 的時(shí)鐘信號(hào)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(shí)鐘輸入， 7812HZ 的輸出頻率被作為顯示模塊的時(shí)鐘輸入，由控制模塊產(chǎn)生的計(jì)數(shù)使能信號(hào) testen 和清零信號(hào) clr 對(duì)計(jì)數(shù)模塊進(jìn)行控制，而由其產(chǎn)生的鎖存信號(hào) load 對(duì)鎖存模塊進(jìn)行控制，一旦計(jì)數(shù)使能信號(hào)為高電平，并且時(shí)鐘上升沿到來(lái)，計(jì)數(shù) 器便開(kāi)始正常計(jì)數(shù)，清零信號(hào)到來(lái)則計(jì)數(shù)清零，而當(dāng)鎖存信號(hào)為高電平時(shí)，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(lái)，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(qū)動(dòng)電路將二進(jìn)制表示的計(jì)數(shù)結(jié)果轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的能夠在數(shù)碼顯示管上可以顯示的十進(jìn)制結(jié)果。在數(shù)碼顯示管上可以看到計(jì)數(shù)結(jié)果。數(shù)字頻率計(jì)的原理框圖如圖 所示。主要由 5 個(gè)模塊組成，分別是：信號(hào)源模塊、 9 控制模塊、計(jì)數(shù)模塊、鎖存器模塊和顯示器模塊 [6]。 圖 數(shù)字頻率計(jì)的原理框圖 根據(jù)數(shù)字頻率計(jì)的系統(tǒng)原理， t 控制信號(hào)發(fā)生器。 testctl 的計(jì)數(shù)使能信號(hào) testen 能產(chǎn)生一個(gè) 1 s 寬的周期信號(hào)，并對(duì)頻率計(jì)的每一計(jì)數(shù)器 Cnt10 的 ENA 使能端進(jìn)行同步控制：當(dāng) testen 高電平時(shí)允許計(jì)數(shù)、低電平時(shí)停止計(jì)數(shù)。 reg32b為鎖存器。在信號(hào) load的上升沿時(shí)，立即對(duì)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(huì)由于周期性的清零信號(hào)而不斷閃爍。 Cnt10 為十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。有一時(shí)鐘使能輸入端 ENA，用于鎖定計(jì)數(shù)值。當(dāng)高電平時(shí)允許計(jì)數(shù)，低電平時(shí) 禁止計(jì)數(shù)。將八個(gè)十進(jìn)制計(jì)數(shù)器 Cnt10 級(jí)聯(lián)起來(lái)實(shí)現(xiàn) 8 位十進(jìn)制計(jì)數(shù)功能 [2， 7] 。 disply 為七段譯碼顯示驅(qū)動(dòng)電路，可以將頻率計(jì)數(shù)的結(jié)果譯成能在數(shù)碼管上顯示 的相對(duì)應(yīng)的阿拉伯?dāng)?shù)字，便于讀取測(cè)量的結(jié)果。 為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，測(cè)頻控制信號(hào)發(fā)生器 testctl、計(jì)數(shù)器 Cnt鎖存器 reg32b 存在一個(gè)工作時(shí)序的問(wèn)題，設(shè)計(jì)時(shí)需要綜合考慮。 8位數(shù)字頻率計(jì)的頂層框圖 （ ），設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)包括信號(hào)源模塊（ F1MHZ、CNT） 、頻率計(jì)模塊（ FREQ）和顯示模塊（ display）三大模塊。下面分 別介紹三個(gè)模塊的結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)方法。 信號(hào)源模塊 信號(hào)源是為了產(chǎn)生 1MHz 的門(mén)控信號(hào)和待測(cè)的定頻信號(hào)，而對(duì)輸入系統(tǒng)時(shí)鐘 clk 10 （ 50MHz）進(jìn)行分頻的模塊，設(shè)計(jì)源代碼 對(duì)輸入系統(tǒng)時(shí)鐘 clk（ 50MHz）進(jìn)行分頻產(chǎn)生 1MHz 信號(hào)。 PIN1MHZ的封裝圖如 ，圖中 CLKIN為接入的 100MHZ信號(hào)，圖中 CLKOUT為接到 CNT 的 CLK 的 1MHZ 的信號(hào)。 clkin clkoutPI N1M HZ_1ins t 圖 PIN1MHZ封裝圖 PIN1MHZ 的工作時(shí)序 仿真 圖如圖 所示 。 圖 信號(hào)源模塊仿真圖 從 PIN1MHZ 的工作時(shí)序 仿真圖可以看出： 由系統(tǒng)時(shí)鐘提供的 100MHz 的輸入信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)源模塊，通過(guò) 100 分頻產(chǎn)生 1MHZ 的時(shí)鐘信號(hào) ，達(dá)到了設(shè)計(jì)所需的預(yù)期效果。 分頻器 此程序要求將 1MHZ的輸入頻率分別進(jìn)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(hào)， freq1為輸出給控制信號(hào)發(fā)生器的 1HZ信號(hào)， 7812HZ的輸出頻率 freq7812被作為顯示模塊的時(shí)鐘輸入， freq 48 freq195 freq31250、 freq125K、 freq500K作 為待測(cè)信號(hào)。 11 clk f req1f req488f req1953f req7812f req3125 0f req125kf req500ktins t 圖 CNT 的工作時(shí)序仿真圖如圖 所示 。 圖 CNT 的 時(shí)序仿真圖 當(dāng) 1MHZ 頻率波形輸入后 ，分別產(chǎn)生了設(shè)計(jì)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(cè)頻控制信號(hào)產(chǎn)生器 控制模塊的作用是產(chǎn)生測(cè)頻所需要的各種控制信號(hào)。控制信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)輸入時(shí)鐘為1HZ,每?jī)蓚€(gè)時(shí)鐘周期進(jìn)行一次頻率測(cè)量。該模塊產(chǎn)生的 3 個(gè)控制信號(hào)，分別為T(mén)STEN,LOAD, 信號(hào)用于在每次測(cè)量開(kāi)始時(shí)，對(duì)計(jì)數(shù)器進(jìn)行復(fù)位，以清除上次測(cè)量的結(jié) 果，該復(fù)位信號(hào)高電平有效，持續(xù)半個(gè)時(shí)鐘周期的時(shí)間。 TSTEN為計(jì)數(shù)允許信號(hào)，在 TSTEN 信號(hào)的上升沿時(shí)刻計(jì)數(shù)模塊開(kāi)始對(duì)輸入信號(hào)的頻率進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量時(shí)間恰為一個(gè)時(shí)鐘周期 (正好為單位時(shí)間 1s)，在此時(shí)間里被測(cè)信號(hào)的脈沖數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，即為信號(hào)的頻率。然后將值鎖存，并送到數(shù)碼管顯示出來(lái)。設(shè)置鎖存器的好處是使顯示的數(shù)據(jù)穩(wěn)定，不會(huì)由于周期性的清零信號(hào)而不斷閃爍。在每一次測(cè)量開(kāi)始時(shí)， 12 都必須重新對(duì)計(jì)數(shù)器清 0[7]。 測(cè)頻控制產(chǎn)生器如圖 ，圖中 CLK 接 CNT 的 FREQ1 的 1HZ 的信號(hào)， TSTEN 為計(jì)數(shù)允許信號(hào)，接計(jì)數(shù)器 CNT10 的 ENA， CLR_CNT 信號(hào)用于在每次測(cè)量開(kāi)始時(shí)，對(duì)計(jì)數(shù)器進(jìn)行復(fù)位，接計(jì)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(cè)頻控制信號(hào)發(fā)生器 TESTCTL 的工作時(shí)序圖，控制模塊的幾個(gè)控制信號(hào)的時(shí)序關(guān)系圖如圖 所示。 圖 TESTCTL的時(shí)序仿真圖 從