【文章內(nèi)容簡介】 xf ，其顯示的位數(shù)由分頻系數(shù) n10 而定。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 和計數(shù)器 II 實際上工作在測頻模 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 )，且工作在同步計數(shù)方式 ,即加到主門 II 的 xf 和 cf 同步。由于同步計數(shù)不會產(chǎn)生1? 誤差，所以，倒數(shù)計數(shù)器的誤差與測周模式誤差相同。 等精度測 量 目前，有三種常用的數(shù)字頻率的測量方法 :直接測頻法 (以下簡稱 M 法 )，直接測周法 (以下簡稱 T 法 )和綜合測量法 (即相結(jié)合的方法，以下簡稱為 M/T 法 )。前兩種測量法的原理，在上面的實驗原理里面已經(jīng)詳細(xì)的討論了，不再累述。這兩種方法由誤差分析可知，其精度都與被測信號的有關(guān)，因而它們是非等精度測量法。而 M/T 法它通過測量被測信號數(shù)個周期的時間，然后換算得出被測信號的頻率，克服了測量精度對被測信號的依賴性。 M/T 法的核心思想是通過閘門信號與被測信號同步，將閘門時間τ控制為被測信號周期長度的整數(shù)倍。測量時，先打開預(yù)置 閘門，當(dāng)檢測到被測信號脈沖沿到達(dá)時，標(biāo)準(zhǔn)信號時鐘開始計數(shù)。預(yù)置閘門關(guān)閉時，標(biāo)準(zhǔn)信號并不立即停止計數(shù)，而是等檢測到被測信號脈沖沿到達(dá)時才停止，完成被測信號整數(shù)個周期的測量。測量的實際閘門時間可能會與預(yù)置閘門時間不完全相同，但最大差值不會超過被測信號的一個周期。 M/T 法測量原理如下圖所示。 圖 47 同步計數(shù) 不如令實際閘門時間為τ，被測信號周期數(shù)為 xN ，標(biāo)準(zhǔn)信號頻率為 cf ，計數(shù)值為 cN ，則被測信號的頻率值為： 附錄 15 ccxx fNNf ?39。 (411) 由于實際閘門時間τ是由被測信號同步過的，因此在此期間測得的被測信號周期的整數(shù)倍 xN 是準(zhǔn)確的，不存在 1? 誤差。而標(biāo)準(zhǔn)信號的計數(shù)值 cN 則存在 1? 誤差 。用 cN? 來表則標(biāo)準(zhǔn)信號計數(shù)的真實值為 xN + cN? 。由此可知被測信號的頻率真實值為： ccc xx fNN Nf ??? (412) 若不計標(biāo)準(zhǔn)信號時鐘的誤差，則測量的相對誤差為： cccxxx fNNf ff ?? 1%1 0 039。 ?????? (415) 可以看出，在 M/T 法中，相對誤差與被測信號本身的頻率特性 無關(guān)，即對整個測量域而言，測量精度相等，因而稱之為 “ 等精度測量 ” 。標(biāo)準(zhǔn)信號的計數(shù)值 cN 越大則測量相對誤差越小，即提高門限時間τ和標(biāo)準(zhǔn)信號頻率 cf 可以提高測量精度。在精度不變的情況下，提高標(biāo)準(zhǔn)信號頻率可以縮短門限時間，提高測量速度。原理圖如下： 圖 48 同等度測量的原理圖 計數(shù)控制器將標(biāo)準(zhǔn)信號分頻為預(yù)置信號，預(yù)置閘門信號與被測信號作用同步 之后輸出實際閘門信號，作為周期計數(shù)器和脈沖計數(shù)器的計數(shù)使能信號。同時在實際閘門信號關(guān)斷的時間里，計數(shù)控制器產(chǎn)生一個清數(shù)脈沖，用以清除計數(shù)器內(nèi)的計數(shù)值，以備下一次計數(shù)，該清零脈沖同時還作為一次計數(shù)結(jié)束后，將計數(shù)值進(jìn)行計算，譯碼顯示的鎖存信號，不然，數(shù)碼管的顯示將因為數(shù)值的不停跳動而無法看清楚。 附錄 16 運(yùn)算器則通過不停地做除法運(yùn)算實現(xiàn)被測信號頻率值的計算，顯示譯碼器在收到被測信號頻率值后，將該值轉(zhuǎn)換為七段碼數(shù)據(jù)顯示的形式，并按照動態(tài)掃描方式依次定時先通各個顯示管，將顯示數(shù)值送出 ,由于人眼的暫留效應(yīng)，就可以看到穩(wěn)定的輸 出值了。 3 原理框圖 圖 49 原理框圖 第三章 頻率計的單元電路設(shè)計 各模塊的功能及實現(xiàn) 晶體振蕩電路 本設(shè)計采用晶體振蕩器提供系統(tǒng)時鐘，并做為頻率測試的基準(zhǔn)時間。 石英晶體振蕩器具有精度高，功耗低等特點，特別適合為各種電路提供精確的時鐘。其驅(qū)動電路如下所示： 圖 4－ 10 晶體振蕩器驅(qū)動電路 附錄 17 分頻器 分頻器的功能是提供標(biāo)準(zhǔn)閘門時間控制信號以精確控制計數(shù)器的開閉。由于閘門時間只有 1S， ， 三檔，由于本設(shè)計將下載到 SpartanII 上，其提供的標(biāo)準(zhǔn)時間是32MHz， 為此，我們想到了計數(shù)器。對一個兩位的二進(jìn)制計數(shù)器，當(dāng)輸入兩個脈沖時，其輸出進(jìn)位脈沖為 1 個，即入 /出之比為 2比 1。如此下推，對輸出為 2 位、 3 位、 4 位、 5 位的二進(jìn)制計數(shù)則其輸入 /輸出為 1﹕ 4， 1﹕ 8， 1﹕ 16， 1﹕ 32?? 。但十進(jìn)制例外，輸出雖為四位，但輸入 /輸出比為 1﹕ 10。這是因為在此，計數(shù)器到 9 時，但產(chǎn)生了進(jìn)位。 如果我們采用一個 32 進(jìn)制的計數(shù)器和六個十進(jìn)制計數(shù)器串行連接，那么，我們在最后的三級上，可分別獲得 100Hz， 10Hz、 1Hz、其閘門時間分別為 、 、 1s 的控制信號 。生成的分頻器模塊如下圖所示： 圖 410 分頻器模塊 程序中使用了隸屬函數(shù) generic， Generic ( rate : integer :=10 )；定義了一個整形變量 rate，通過修改這個整形變量 rate 的值，可以實現(xiàn)分頻器分頻數(shù)的改變。這樣做可以實現(xiàn)程序的調(diào)用，只需要修改少量的地方就可以實現(xiàn)不同的分頻需要。 圖 410 分頻器模塊 源程序如下： library IEEE。 use 。 use 。 use 。 entity fdiv is Generic ( rate : integer :=10 )。 Port ( f_in : In std_logic。 附錄 18 f_out : Out std_logic )。 end。 architecture behavioral of fdiv is signal t : integer range 0 to rate := 0。 signal clk : std_logic:=39。039。 begin process (f_in) begin if f_in39。event and f_in = 39。139。 then if t /= rate then t = t + 1。 else t = 1。 clk=not clk。 end if。 end if。 end process。 f_out = clk。 end behavioral。 仿真圖如下所示： 圖 411 分頻器模塊仿真圖 運(yùn)用 ponent 函數(shù)對上面程序的調(diào)用，即可很輕松的實現(xiàn)幾個分頻器，而不用再寫類似的程序。生成的模塊如圖所示： 圖 412 多輸出的分頻器 附錄 19 這個模塊即實現(xiàn)了把 32MHz 的時基信號分成了我們需要的四個信號 1Hz， 10Hz，100Hz， 1KHz。其源程序如下： library IEEE。 use 。 use 。 use 。 entity Fdiv3 is Port ( clkin : in std_logic。 clkout1 : out std_logic。 clkout10 : out std_logic。 clkout100 : out std_logic。 clkout1k : out std_logic)。 end Fdiv3。 architecture structure of Fdiv3 is ponent fdiv is Generic ( rate : integer :=10 )。 Port ( f_in : In std_logic。 f_out : Out std_logic )。 end ponent fdiv。 signal carry1,carry2,carry3:std_logic。 begin U1:fdiv generic map(rate=16000) port map (f_in=clkin,f_out=carry1)。 U2:fdiv generic map(rate=5) port map (f_in=carry1,f_out=carry2)。 U3:fdiv generic map(rate=5) port map (f_in=carry2,f_out=carry3)。 U4:fdiv generic map(rate=5) port map (f_in=carry3,f_out=clkout1)。 clkout1K = carry1。 clkout100 = carry2。 clkout10=carry3。 end structure。 這個模塊即實現(xiàn)了把 32MHz的時基信號分成了我們需要的四個信號 1Hz， 10Hz， 100Hz， 1KHz。 波形整形電路 由外部輸入的可能是各種波形的信號，為了使頻率計能夠正常的工作，需要對輸入信號進(jìn)行整形，將其調(diào)整為 TTL 信號。波形整形電路如下所示： 附錄 20 圖 4－ 12 波形整形電路 閘門選擇器 該模塊的功能是實現(xiàn)對輸入的幾個閘門信號的手動選擇，并輸出被選中的閘門信號以及小數(shù)點的控制信號 DP1， DP2， DP3。生成的模塊如下圖所示： 圖 413 閘門選擇器 該模塊有六個輸入端口，其中 se1,se10,se100 為選擇使能端， f1hz,f10hz,f100hz 為被選時基信號輸入端。當(dāng) se1 為 1 時， f1hz 的輸入時基信號被選中，被賦值給輸出端口 fref輸出，此時 DP1 有效， DP2 和 DP3 無效，點亮 DP1 連接的小數(shù)點；當(dāng) se1 為 0,se10 為 1 時，f10hz 時基信號被選中， DP2 有效， DP1和 DP3 無效，點亮由 DP2 連接的小數(shù)點；最后當(dāng) se1和 se10 都無效時，即都為 0 時， se100為 1 時， f100hz 端口的輸入信號被選中作為輸出，DP3 有效， DP1 和 DP2 無效，點亮由 DP3 連接的小數(shù)點。 本模塊的源程序如下： library IEEE。 use 。 use 。 use 。 entity sele is port(se1,se10,se100: in std_logic。 f1hz,f10hz,f100hz: in std_logic。 附錄 21 fref: out std_logic。 dp1,dp2,dp3: out std_logic)。 end sele。 architecture Behavioral of sele is begin process (se1,se10,se100,f1hz,f10hz,f100hz) begin fref = 39。039。 dp1 = 39。039。dp2 = 39。039。dp3 = 39。039。 if se1 = 39。139。 then fref = f1hz。 dp1= 39。139。 elsif se10 = 39。139。 then fref = f10hz。 dp2 = 39。139。 elsif se100 = 39。139。 then fref = f100hz。 dp3 =39。139。 end if。 end process。 end Behavioral。 仿真圖如下所示： 圖 414 閘門選擇器仿真圖 測頻控制器 測頻控制器是控制整個頻率計各模塊進(jìn)行時序工作的 控制裝置，它對輸入的標(biāo)準(zhǔn)時鐘信號進(jìn)行變換，產(chǎn)生我們所需要的三個信號閘門信號 GATE，鎖存信號 LATCH 以及清零信號CLEAR。如使用一個低觸發(fā)器處理 1Hz 的時鐘信號，其 Q 端輸出，即是 脈寬 1S 計數(shù)器使能端的控制信號，而 Q 輸出即為脈寬 1S 的鎖存器使能信號。計數(shù)清零信號也由測頻控制器變換后輸出，控制整個電路。其生成的元件符號如下圖所示： 附錄 22 圖 415 測頻控制器 測頻控制信號發(fā)生器設(shè)計要求：頻率測量的基本原理是計算每秒鐘內(nèi)待測信號的脈沖個數(shù)。這就要