等精度頻率計的實現(xiàn)
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等精度測頻的原理圖如圖2所示。圖中，預置軟件閘門信號GATE是由FPGA的定時模塊產(chǎn)生，GATE的時間寬度對測頻精度的影響較少，故可以在較大的范圍內(nèi)選擇。這里選擇預置閘門信號的長度為1s。圖中的CNT1和CNT2是2個可控的32位高速計數(shù)器，CNT1_ENA和CNT2_ENA分別是其計數(shù)使能端，基準頻率信號f0從CNT1_CLK輸入，待測信號fx從CNT2的時鐘輸入端CONT2_CLK輸入，并將fx接到D觸發(fā)器的clk端。測量時，由FPGA的定時模塊產(chǎn)生預置的GATE信號，在GATE為高電平，并且fx的上升沿時，啟動2個計數(shù)器，分別對被測信號和基準信號計數(shù)，關閉計數(shù)閘門必須滿足，GATE為低電平，且在fx的上升沿。若在一次實際閘門時間Tx中，計數(shù)器對被測信號的計數(shù)值為Nx，對標準信號的計數(shù)值為N0，而標準信號的頻率為f0，則被測信號的頻率為fx，則fx=(N0／Ns)f0。圖2中的所有功能都在FPGA端實現(xiàn)。本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/195309.htm
圖2所示的單元完成了等精度測頻的核心部分，在實際應用中多數(shù)時候需要將測量的結果通過顯示設備進行顯示。從圖2可以看出本設計由于設計了鎖存單元，將計數(shù)結果和一些控制信號進行了鎖存處理，便于與單片機或者其他的單片機(MCU)相連，因此在該FPGA實現(xiàn)的核心單元基礎上連接MCU，容易實現(xiàn)計數(shù)值到實際頻率值以及相應的周期值之間的轉換，并通過MCU控制顯示設備將最終需要顯示的結果信息進行顯示。FPGA器件與單片機硬件接口電路框圖如圖3所示。圖3中的等精度頻率測量模塊和鎖存模塊都由Altera公司的FPGA器件EP1C3T100C6實現(xiàn)，等精度計數(shù)模塊的輸出結果為2個32 bit的數(shù)據(jù)，為了方便與單片機連接，該2個32 bit數(shù)據(jù)由在FPGA器件內(nèi)部的鎖存器分8次鎖存輸出，單片機每次讀取8 bit，連續(xù)讀取8次即可，讀取的Nx和N0的計數(shù)值經(jīng)過單片機按照等精度頻率計算公式換算成實際頻率值，最后通過DM12864進行顯示。
3 測量結果的誤差分析
采用高精度信號源輸出不同頻率的正弦波信號，經(jīng)過信號調(diào)理電路，整形得到的方波信號提供給FPGA進行計數(shù)測量，將測量結果與高精度信號源輸出的頻率相比較，計算其誤差，如表1所示。
表l給出了各種頻率的測量結果和誤差。結果顯示，本設計在1Hz～20MHz全范圍內(nèi)的測量誤差小于2×10-6。從圖4可以看出測量結果的誤差分布在同一個數(shù)量級附近，達到了等精度測量的目的。在實際測試中發(fā)現(xiàn)，如果提高系統(tǒng)晶振的頻率或者提高晶振的精度級別，頻率測量的誤差還會進一步降低。
4 結束語
詳細介紹了等精度測量的原理，并給出等精度測量的思想在FPGA上實現(xiàn)的方法。測試結果表明該等精度測量方案誤差非常小，在測量范圍內(nèi)誤差恒定。該設計方案對測量頻率實現(xiàn)設計具有一定的借鑒。
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