【文章內(nèi)容簡介】 為1Hz，那么使能信號的脈寬正好為1s，可以用作技術(shù)閘門信號。然后根據(jù)測頻的時序要求，可得出鎖存信號和清零信號的邏輯描述。計數(shù)完成后，利用技術(shù)使能信號反向值的上跳沿產(chǎn)生一個鎖存信號。，清零信號產(chǎn)生一個清零信號上跳沿。計數(shù)器的特殊之處是，有一時鐘使能輸入端，用于鎖存計數(shù)值。當高電平時計數(shù)允許，低電平時計數(shù)禁止。鎖存器的設(shè)計要求:若已有24位BCD碼存于此模塊的輸入口，在鎖存信號的上跳沿后即被鎖存到寄存器內(nèi)部，并由寄存器的輸出端輸出，然后有實驗箱上7段譯碼器譯成能在數(shù)碼管上顯示輸出的相應(yīng)數(shù)值。 只要知道了N和T就可以求得頻率。常用數(shù)字頻率測量方法有M法、T法和M/T法。M法是在給定的閘門時間內(nèi)測量被測信號的脈沖個數(shù)，進行換算得出被測信號的頻率。這種測量方法的測量精度取決于閘門時間和被測信號頻率。當被測信號頻率較低時將產(chǎn)生較大誤差，除非閘門時間取得很大。所以這種方法比較適合測量高頻信號的頻率。T法是通過測量被測信號的周期然后換算出被測信號的頻率。這種測量方法的測量精度取決于被測信號的周期和計時精度，當被測信號頻率較高時，對計時精度的要求就很高。這種方法比較適合測量頻率較低的信號。M/T法具有以上兩種方法的優(yōu)點，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，可兼顧低頻與高頻信號，提高了測量精度。但是，M法、T法和M/T法存在177。1個字的計數(shù)誤差問題：M法存在被測閘門內(nèi)177。1個被測信號的脈沖個數(shù)誤差，T法或M/T法也存在177。1個字的計時誤差。這個問題成為限制測量精度提高的一個重要原因。所以我們在設(shè)計之前必須要研究以往的設(shè)計方法，通過研究各種設(shè)計方法的優(yōu)點和實用性還有他們各自的設(shè)計需要如硬件和軟件的組成，我們通過研究可以看出，我發(fā)現(xiàn)通過用VHDL編程實現(xiàn)軟件的仿真，在各個模塊的共同作用下，通過對測量信號上升沿的計數(shù)，我們可以簡單，容易的讀出我們所測量的信號的頻率。 模塊的劃分根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計要求，系統(tǒng)設(shè)計采用自頂向下的設(shè)計方法，系統(tǒng)的組成框圖如圖4. 1所示，包括時基產(chǎn)生與測頻時序控制電路模塊，以及待測信號脈沖計數(shù)電路模塊和鎖存與譯碼顯示控制電路模塊。時基產(chǎn)生與測頻時序控制電路待測信號脈沖計數(shù)電路鎖存與譯碼顯示電路ENCLR待測信號F_IN標準時鐘CLK 數(shù)字頻率計的組成框圖 (1)時基產(chǎn)生與測頻時序控制電路模塊 時基產(chǎn)生與測頻時序控制電路的主要產(chǎn)生計數(shù)允許信號EN、清零信號CLR和鎖存信號LOCK。 (2) 待測信號脈沖計數(shù)電路模塊 待測信號脈沖計數(shù)電路是對待測脈沖信號的頻率進行測量，它可由4個十進制加法計數(shù)器組成，其中EN為計數(shù)選通控制信號，CLR為計數(shù)器清零信號。在計數(shù)器清零信號CLR清零后，當計數(shù)選通控制信號EN有效時，開始對待測信號進行計數(shù)。如果計數(shù)選通控制信號EN的寬度為1s，那么計數(shù)結(jié)果就為待測信號的頻率；如果計數(shù)選通信號EN的寬度為100ms，那么待測信號的頻率等于計數(shù)結(jié)果10。 (3) 鎖存與譯碼顯示控制電路模塊 鎖存與譯碼顯示控制電路用于實現(xiàn)記憶顯示，在測量過程中不刷新新的數(shù)據(jù)，直到測量過程結(jié)束后，鎖存顯示測量結(jié)果，并且保存到下一次測量結(jié)束。鎖存與譯碼顯示電路的功能是對四位BCD碼進行鎖存，并轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的4組七段碼，用于驅(qū)動數(shù)碼管。 頻率計的設(shè)計方案 根據(jù)頻率計的測頻原理，可以選擇合適的時基信號即閘門時間，對輸入被測信號脈沖進行計數(shù)，實現(xiàn)測頻的目的。在這個設(shè)計前，我們加入了一項測試周期的功能。在實驗過程中，要在頻率計提供的基信號和輸入信號之間做出選擇，充當時基信號即閘門時間。當測頻率的時候，要以輸入信號作為時鐘信號，因為輸入信號的頻率大于頻率計提供的基準頻率，在頻率計提供的基準信號周期內(nèi)，計算輸入信號的周期數(shù)目，再乘以頻率計基準頻率，就是輸入信號的頻率值了。此時的時基信號為頻率計的基準信號。當測周期的時候，要以頻率及提供的基準信號作為時鐘信號，因為頻率及提供的時基頻率大于輸入信號的頻率，在輸入信號周期內(nèi)，計算頻率計提供的基準信號的周期數(shù)目，再乘以基準信號頻率，就是輸入信號的周期值了。此時的時基信號為輸入信號。 （1）時基的設(shè)計 輸入信號是隨意的，沒法預(yù)知其頻率是多少，如何選取頻率計提供的基準信號是關(guān)鍵。測量頻率時，在某個擋進行測量的時候，就需要提供該擋的時基。在10KHZ擋，，1MHZ擋提供的時基應(yīng)該是頻率為1KHZ的脈沖。同樣用到3個分頻器，但是節(jié)約了資源?？梢钥紤]使用狀態(tài)機來實現(xiàn)這3種時基，因為采用狀態(tài)機來控制時序很清楚，不容易出錯。狀態(tài)機用1KHZ（周期為1ms）的脈沖信號觸發(fā)，因為所要生產(chǎn)的時基中，頻率最大的就是1KHZ的脈沖，要產(chǎn)生高電頻為10ms和1ms的脈沖信號，可以采用100個狀態(tài)的狀態(tài)機，從狀態(tài)1，狀態(tài)2……到狀態(tài)100. （2）計數(shù)器的設(shè)計 各個檔之間的轉(zhuǎn)換應(yīng)遵循設(shè)計要求，要根據(jù)在時基有效時間內(nèi)的計數(shù)值進行判斷。計數(shù)器可以直接定義成一個整形信號，這樣計數(shù)器（即加1）就十分方便，只要使用語句“計數(shù)器=計數(shù)器+1；”就可以。但這個計數(shù)值要作為顯示輸出，就要將這個計數(shù)器用個位、十位，百位分開表示，而且要遵循“加一逢十”的規(guī)則。這樣可以直接通過七段譯碼器進行顯示。 （3）模塊的劃分 計數(shù)器在各個擋是被反復(fù)應(yīng)用的，如果在各個擋分別設(shè)計計數(shù)器，就造成資源的浪費，而且在測量周期和頻率時，計數(shù)器的時鐘信號和輸入信號要進行調(diào)換，但是計數(shù)功能是一樣的，所以將計數(shù)器設(shè)計成單獨的模塊。7段譯碼器在各位，十位，百位中也都被利用了，因此也將其設(shè)計成單獨的模塊，重復(fù)引用就不需要在3個顯示的時候重復(fù)書寫譯碼電路了。 四位十進制頻率計頂層文件原理圖 TESTCTL為測頻控制信號發(fā)生器。TESTCTL的計數(shù)使能信號TSTEN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TSTEN高電平時允許計數(shù)、低電平時停止計數(shù) REG4B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REG4B的內(nèi)部，并由REG4B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)。 系統(tǒng)的總體設(shè)計 綜上所述，頻率計的總體系統(tǒng)可以設(shè)計為：當系統(tǒng)正常工作時，由系統(tǒng)時鐘提供的50MHz的輸入信號，經(jīng)過信號源模塊，通過分頻器產(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，其它不同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)使能信號和清零信號對計數(shù)模塊進行控制，而由其產(chǎn)生的鎖存信號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(qū)動電路將二進制表示的計數(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制結(jié)果。在數(shù)碼顯示管上可以看到計數(shù)結(jié)果。因此數(shù)字頻率計的最終系統(tǒng)組成可以詳細劃分為六個模塊，分別是：信號源模塊、控制模塊、計數(shù)模塊、鎖存器模塊、譯碼模塊和顯示器模塊。信號源模塊對系統(tǒng)輸入的時鐘進行分頻操作, 獲得1HZ的信號作為控制模塊的時鐘輸入，和其他各種不同的頻率的信號作為顯示模塊的時鐘輸入。計數(shù)模塊在閘門時間內(nèi)對被測信號進行計數(shù), 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)。將四個十進制計數(shù)器CNT10級聯(lián)起來實現(xiàn)4 位十進制計數(shù)功能 。數(shù)字鎖存器在固定時間基準的后周期開始工作,即當閘門計數(shù)時間結(jié)束, 閘門下降沿到來時, 鎖存此時計數(shù)模塊的各項輸出。在信號LOAD的上升沿時，立即對模塊的輸入口的數(shù)據(jù)鎖存到鎖存器的內(nèi)部，并由鎖存器的輸出端輸出，然后，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。數(shù)碼譯碼模塊主要是用來完成各種碼制之間的轉(zhuǎn)換。例如可用來完成BCD—十進制數(shù)、十進制數(shù)—BCD之間數(shù)制的轉(zhuǎn)換。顯示模塊則在七段數(shù)碼管片選信號控制下, 將鎖存器保存的BCD 碼數(shù)由譯碼模塊譯出后, 以十進制形式顯示。控制模塊是整個系統(tǒng)的控制部分,所有的控制信號幾乎都由此模塊產(chǎn)生,實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部的復(fù)位、開始測頻等功能,使所產(chǎn)生的測量開始指令脈沖的寬度符合基準時間產(chǎn)生模塊的輸入要求,然后檢測各輸入信號,確定各模塊的復(fù)位、測量、,則輸出頻率測量開始脈沖信號,使基準時間產(chǎn)生模塊開始頻率測量,同時送到優(yōu)化模塊,復(fù)位優(yōu)化模塊的內(nèi)部變量,系統(tǒng)只需在開始施加一次頻率測量開始脈沖信號,即可實現(xiàn)連續(xù)不間斷的頻率測量. 各模塊的實現(xiàn) 測頻控制信號發(fā)生器的功能模塊及仿真 。 測頻控制信號發(fā)生器的功能模塊圖頻率計的關(guān)鍵是設(shè)計一個測頻率控制信號發(fā)生器，產(chǎn)生測量頻率的控制時序?？刂颇K是整個系統(tǒng)的控制部分，所有的控制信號幾乎都由此模塊產(chǎn)生，控制著其它幾個模塊的工作?？刂颇K根據(jù)外部對系統(tǒng)的復(fù)位和開始等信號,實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部的復(fù)位、開始測頻等功能,并通過優(yōu)化模塊的標志信號實現(xiàn)連續(xù)無間斷的頻率測量?？刂茣r鐘信號CLK取為1Hz，2分頻后即可產(chǎn)生一個脈寬為1秒的時鐘TSTEN，以此作為計數(shù)閘門信號。當TSTEN為高電平時，允許計數(shù)；當TSTEN由高電平變?yōu)榈碗娖剑ㄏ陆笛氐絹恚r，應(yīng)產(chǎn)生一個鎖存信號，將計數(shù)值保存起來；鎖存數(shù)據(jù)后，還要在下次TSTEN上升沿到來之前產(chǎn)生零信號CLR_CNT，將計數(shù)器清零，為下次計數(shù)作準備。 測頻控制信號仿真圖 十進制計數(shù)器的功能模塊及仿真計數(shù)是一種最簡單基本的運算，計數(shù)器就是實現(xiàn)這種運算的邏輯電路，計數(shù)器在數(shù)字系統(tǒng)中主要是對脈沖的個數(shù)進行計