[發(fā)明專利]一種基于FPGA的頻率測量方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310439616.4
• 申請日: 2013-09-25
• 公開（公告）號: CN103499739A
• 公開（公告）日: 2014-01-08
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 符云越
• 申請（專利權(quán)）人: 浪潮電子信息產(chǎn)業(yè)股份有限公司
• 主分類號: G01R23/10
• 分類號: G01R23/10
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種基于FPGA的頻率測量方法,?其特征在于包括：采用一個標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)時鐘，在單位時間(1s)里對被測信號的脈沖數(shù)進(jìn)行計數(shù)，即為信號的頻率，由于閘門的起始和結(jié)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(jìn)一步分析測量準(zhǔn)確度：設(shè)待測信號脈沖周期為Tx,頻率為Fx，當(dāng)測量時間為T=1s時，測量準(zhǔn)確度為＆=Tx/T=1/Fx；已知直接測頻法的測量準(zhǔn)確度與信號的頻率有關(guān)：當(dāng)待測信號頻率越高，測量準(zhǔn)確度也越高，反之測量準(zhǔn)確度也越低；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頻率的要求，為克服低頻段測量的不準(zhǔn)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(jìn)行雙重控制，提高了準(zhǔn)確度，當(dāng)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(dāng)門控信號變?yōu)?時，使能信號并不是立即改變，而是當(dāng)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(biāo)準(zhǔn)時鐘周期，當(dāng)采用100MHz的信號作為標(biāo)準(zhǔn)信號時，誤差最大為0.01μs；具體步驟如下：

1）利用串行總線數(shù)據(jù)傳輸方法，計算每秒鐘內(nèi)待測信號脈沖個數(shù)，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cnt10的ENA使能端進(jìn)行同步控制，當(dāng)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(jìn)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(jìn)行清零，為下一秒鐘的計數(shù)操作做準(zhǔn)備；

2）當(dāng)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(jìn)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(jìn)行計數(shù)，將計數(shù)結(jié)果送入鎖存器中，保證系統(tǒng)穩(wěn)定顯示數(shù)據(jù)，顯示譯碼驅(qū)動電路將二進(jìn)制表示的計數(shù)結(jié)果轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的能夠在液晶屏顯示的十進(jìn)制結(jié)果；

3）頻率計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(biāo)準(zhǔn)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；

4）等精度測量方法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±1個字誤差，并且達(dá)到了在整個測試頻段的等精度測量，在測量過程中，有兩個計數(shù)器分別對標(biāo)準(zhǔn)信號和被測信號同時計數(shù)，首先給出閘門開啟信號，即預(yù)置閘門上升沿信號，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信號到來時，計數(shù)器才真正開始計數(shù)，然后預(yù)置閘門關(guān)閉信號，即下降沿信號到時，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信號到來時才結(jié)束計數(shù)，完成一次測量過程，能夠看出，實際閘門時間t與預(yù)置閘門時間t1并不嚴(yán)格相等，但差值不超過被測信號的一個周期；

5）等精度測頻方法中，CNT1和CNT2是兩個可控計數(shù)器，標(biāo)準(zhǔn)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的時鐘輸入端CLK輸入，當(dāng)預(yù)置門控信號為高電平時，經(jīng)整形后的被測信號的上升沿信號通過D觸發(fā)器的Q端同時啟動CNT1和CNT2，CNT1、CNT2同時對標(biāo)準(zhǔn)頻率信號和經(jīng)整形后的被測信號進(jìn)行計數(shù)，分別為N_S與N_X，當(dāng)預(yù)置門信號為低電平的時候，后而來的被測信號的上升沿信號將使兩個計數(shù)器同時關(guān)閉，所測得的頻率為(F_S/N_S)*NX，則等精度測量方法測量精度與預(yù)置門寬度的標(biāo)準(zhǔn)頻率有關(guān)，與被測信號的頻率無關(guān)，在預(yù)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；

6）誤差分析：設(shè)在一次實際閘門時間t中計數(shù)器對被測信號的計數(shù)值為Nx，對標(biāo)準(zhǔn)信號的計數(shù)值為Ns，標(biāo)準(zhǔn)信號的頻率為fs，則被測信號的頻率如式(2-1):

?????????????????????????fx=(Nx/Ns)·fs???????????????????????????????(2-1)

由式1-1可知，若忽略標(biāo)頻fs的誤差，則等精度測頻可能產(chǎn)生的相對誤差如式(2-2):?

δ=(|fxe-fx|/fxe)×100%???????????????????????????(2-2)

其中fxe為被測信號頻率的準(zhǔn)確值；

在測量中，由于fx計數(shù)的起停時間都是由該信號的上升沿觸發(fā)的，在閘門時間t內(nèi)對fx的計數(shù)Nx無誤差(t=NxTx)；對fs的計數(shù)Ns最多相差一個數(shù)的誤差，即|ΔNs|≤1,其測量頻率如式(2-3):

fxe=[Nx/(Ns+ΔNs)]·fs??????????????????????????(2-3)

將式(2-1)和(2-3)代入式(2-2)，并整理如式(2-4)：

δ=|ΔNs|/Ns≤1/Ns=1/(t·fs)????????????????????????(2-4)

由上式看出，測量頻率的相對誤差與被測信號頻率的大小無關(guān)，僅與閘門時間和標(biāo)準(zhǔn)信號頻率有關(guān)，即實現(xiàn)了整個測試頻段的等精度測量，閘門時間越長，標(biāo)準(zhǔn)頻率越高，測頻的相對誤差就越小，標(biāo)準(zhǔn)頻率可由穩(wěn)定度好精度高的高頻率晶體振蕩器產(chǎn)生，在保證測量精度不變的前提下，提高標(biāo)準(zhǔn)信號頻率，可使閘門時間縮短，即提高測試速度；

7）系統(tǒng)總體設(shè)計如下：

當(dāng)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(jìn)行控制，而由其產(chǎn)生的鎖存信號load對鎖存模塊進(jìn)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(dāng)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)，顯示器部分用1602液晶顯示，數(shù)字頻率計是由5個部分組成組成，分別是：分頻器、門控電路、計數(shù)器、鎖存器和顯示器；

其中：根據(jù)數(shù)字頻率計的系統(tǒng)原理，gate_control控制信號發(fā)生器，gate_control的計數(shù)使能信號gate_control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couter的ENA使能端進(jìn)行同步控制：當(dāng)gate_control高電平時允許計數(shù)、低電平時停止計數(shù)；

flip_latch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flip_latch的內(nèi)部，并由flip_latch的輸出端輸出，然后，1062液晶屏輸出，在這里使用了鎖存器，好處是穩(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；?????

counter為十進(jìn)制計數(shù)器，有一時鐘使能輸入端ENA，用于鎖定計數(shù)值，當(dāng)高電平時允許計數(shù)，低電平時禁止計數(shù)，將八個十進(jìn)制計數(shù)器counter級聯(lián)起來實現(xiàn)8?位十進(jìn)制計數(shù)功能^[2，7]?；

LCD_Driver為七段譯碼顯示驅(qū)動電路，將頻率計數(shù)的結(jié)果譯成能在數(shù)碼管上顯示的相對應(yīng)的阿拉伯?dāng)?shù)字，便于讀取測量的結(jié)果；

為了實現(xiàn)系統(tǒng)功能，測頻控制信號發(fā)生器gate_control、計數(shù)器counter、鎖存器flip_latch存在一個工作時序的問題，設(shè)計時需要綜合考慮；

8位數(shù)字頻率計的頂層框圖main.bdf，設(shè)計實現(xiàn)包括信號源模塊F1MHZ、CNT、頻率計模塊FREQ和顯示模塊LCD_Drive三大模塊，下面分別介紹三個模塊的結(jié)構(gòu)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（50MHz）進(jìn)行分頻的模塊，設(shè)計源代碼gate_control.v?對輸入系統(tǒng)時鐘clk（50MHz）進(jìn)行分頻產(chǎn)生1MHz?信號；

分頻器

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；

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(biāo)準(zhǔn)輸入時鐘為1HZ,每兩個時鐘周期進(jìn)行一次頻率測量，該模塊產(chǎn)生的個控制信號用于在每次測量開始時，對計數(shù)器進(jìn)行復(fù)位，以清除上次測量的結(jié)果，該復(fù)位信號高電平有效，持續(xù)半個時鐘周期的時間，fdiv為計數(shù)允許信號，在fdiv信號的上升沿時刻計數(shù)模塊開始對輸入信號的頻率進(jìn)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(jìn)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(shè)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，都必須重新對計數(shù)器清0；

鎖存器

鎖存器模塊也是必不可少的，測量模塊測量完成后，在load信號的上升沿時刻將測量值鎖存到寄存器中，然后輸出到顯示模塊，鎖存器是起數(shù)據(jù)保持的作用，它將會把數(shù)據(jù)保存到下次觸發(fā)或復(fù)位，鎖存器模塊是主從觸發(fā)器組成的，用于存儲數(shù)據(jù)來進(jìn)行交換，使數(shù)據(jù)穩(wěn)定下來保持一段時間不變化，直到新的數(shù)據(jù)將其替換；

程序是用來實現(xiàn)鎖存器模塊的功能，在鎖存信號load的上升沿到來時，鎖存器將測量值鎖存到寄存器，然后輸出到顯示模塊，鎖存輸出并不是立即進(jìn)行的，而是經(jīng)歷了一個短暫的延時，這是由于硬件引起的；

十進(jìn)制計數(shù)器

計數(shù)器模塊是由8個帶有異步清零端，進(jìn)位信號輸出的模為10的計數(shù)模塊級連而成，通過counter進(jìn)行元件例化實現(xiàn)，此十進(jìn)制計數(shù)器的特殊之處是，有一時鐘使能輸入端ENA，用于鎖定計數(shù)器，當(dāng)高電平計數(shù)允許，低電平時計數(shù)禁止，計數(shù)器模塊用于對輸入信號的脈沖進(jìn)行計數(shù)，該模塊必須有計數(shù)允許、異步清零等端口，以便于控制模塊對其進(jìn)行控制；

程序模塊實現(xiàn)的功能是帶使能端的10進(jìn)制計數(shù)，程序要求只有當(dāng)使能端信號為高電平時計數(shù)器才能正常工作，每個時鐘的上升沿到來時計數(shù)器加1，因為這里要實現(xiàn)的是10進(jìn)制計數(shù)，所以當(dāng)計數(shù)到10時計數(shù)器清零，同時產(chǎn)生進(jìn)位信號，這里的進(jìn)位信號僅為一個脈沖信號，一旦計數(shù)從10變?yōu)?，脈沖信號立即變?yōu)榈碗娖剑瑫r該計數(shù)器也應(yīng)帶有清零信號，一旦清零信號為高電平，計數(shù)器立即清零。