一種寬量程數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)與仿真

邱鵬　張建德　霍瑛

摘要：為了快速準(zhǔn)確獲得各種電子信號(hào)的頻率，設(shè)計(jì)了一種基于FPGA（Field Programmable Gate Array）的寬量程數(shù)字頻率計(jì)，該頻率計(jì)運(yùn)用自頂向下的設(shè)計(jì)思想，采用將系統(tǒng)按功能劃分模塊的設(shè)計(jì)方法。以FPGA為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，通過(guò)VHDL語(yǔ)言編程來(lái)設(shè)計(jì)數(shù)字頻率計(jì)各個(gè)模塊，從而更大限度地滿(mǎn)足測(cè)量范圍、精度和速度的要求。最后，使用MAX+plusII軟件仿真數(shù)字頻率計(jì)測(cè)量結(jié)果，進(jìn)一步證明了該數(shù)字頻率計(jì)的有效性和可行性。

關(guān)鍵詞：頻率；數(shù)字頻率計(jì)；FPGA；MAX+plus II；VHDL語(yǔ)言

1背景

在電子通訊系統(tǒng)中，頻率是最基本的參數(shù)之一，而測(cè)量頻率是電子測(cè)量技術(shù)中最常見(jiàn)的參量測(cè)量之一，不少物理量的測(cè)量都涉及或本身就可轉(zhuǎn)化為頻率的測(cè)量?；趩卧娐坊騿纹瑱C(jī)設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)頻率計(jì)無(wú)論是在測(cè)頻范圍、精度、操作以及功能上都不十分理想，雖然目前市場(chǎng)上有各種多功能，高精度、高頻率的數(shù)字頻率計(jì)，但價(jià)格都很昂貴。

2相關(guān)研究

頻率計(jì)的作用是測(cè)量被測(cè)信號(hào)的頻率，但是由于被測(cè)信號(hào)在不同場(chǎng)所所處的頻段不同，變化范圍不同，同時(shí)對(duì)測(cè)量的精度也有不同的要求，因此產(chǎn)生了不同的頻率測(cè)量方法。大多數(shù)傳統(tǒng)數(shù)字頻率計(jì)測(cè)量范圍小、精度低、速度慢。隨著單片機(jī)的出現(xiàn)和發(fā)展，一定程度上優(yōu)化了數(shù)字頻率計(jì)的測(cè)量功能，但單片機(jī)本身存在工作頻率以及其他因素的影響，比較適用于低頻段測(cè)頻，而在高頻段利用測(cè)頻的方法，其精度往往會(huì)隨著被測(cè)頻率的上升而降低，因此設(shè)計(jì)一種能在整個(gè)測(cè)試范圍內(nèi)維持恒定的測(cè)試精度及造價(jià)低廉的頻率計(jì)就顯得十分必要了，特別是在數(shù)字頻率計(jì)軟硬件結(jié)合設(shè)計(jì)中，需要考慮測(cè)量周期、頻率和占空比等性能因素。FPGA具有以下優(yōu)點(diǎn)：其單片邏輯門(mén)數(shù)已達(dá)到上百萬(wàn)門(mén)，實(shí)現(xiàn)的功能越來(lái)越強(qiáng)大；不需要設(shè)計(jì)人員承擔(dān)芯片投資風(fēng)險(xiǎn)和費(fèi)用；用戶(hù)可以反復(fù)地編程、擦除、使用，或者在外圍電路不動(dòng)的情況下用不同軟件就可以實(shí)現(xiàn)不同的功能等。

基于對(duì)以上各因素的考慮，在FPGA開(kāi)發(fā)平臺(tái)上使用VHDL編程語(yǔ)言設(shè)計(jì)數(shù)字頻率計(jì)能夠有效擴(kuò)大測(cè)量范圍、提高測(cè)量精度和加快測(cè)量速度。

3寬量程數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)方案

3.1設(shè)計(jì)思路

根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，需要對(duì)數(shù)字頻率計(jì)的測(cè)量范圍進(jìn)行劃分。首先，頻率計(jì)的測(cè)量范圍設(shè)定在0.01 Hz-18 MHz之間，整個(gè)量程被分成四段的目的是可以給頻率計(jì)提供測(cè)量精度保證，四段量程依次是：甚低頻段0.01-0.1 Hz，低頻段0.1-1 Hz，中頻段1-40 Hz，高頻段40 Hz-18 MHz。在高頻段使用直接記數(shù)法的同時(shí)提供八位整數(shù)，而在其他頻段都采用先測(cè)周期再求倒數(shù)的方法進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果保留三位有效數(shù)字，使用浮點(diǎn)數(shù)顯示。