基于FPGA的同步測周期高精度數(shù)字頻率計的設計

摘    要：本文介紹了一種同步測周期計數(shù)器的設計，并基于該計數(shù)器設計了一個高精度的數(shù)字頻率計。文中給出了計數(shù)器的VHDL編碼，并對頻率計的FPGA實現(xiàn)進行了仿真驗證，給出了測試結果。
關鍵詞：頻率計；VHDL；FPGA；周期測量

在現(xiàn)代數(shù)字電路設計中，采用FPGA結合硬件描述語言VHDL可以設計出各種復雜的時序和邏輯電路，具有設計靈活、可編程、高性能等優(yōu)點。本文將介紹一種基于FPGA，采用同步測周期的方法來實現(xiàn)寬頻段高精度數(shù)字頻率計的設計。

圖1 同步測周期計數(shù)器

同步測周期頻率計的原理
在數(shù)字頻率計中，測周期計數(shù)器是主要的電路，其功能是：使用標準時鐘以被測頻率信號的一個周期為時限進行脈沖計數(shù)。傳統(tǒng)的測周期計數(shù)器采用門控計數(shù)器來實現(xiàn)，即采用一個同被測頻率信號周期寬度相同的門控脈沖來控制計數(shù)器的計停。其缺點在于無法實現(xiàn)對被測信號的連續(xù)測周期計數(shù)。
本文設計的同步測周期計數(shù)器如圖1所示。圖中計數(shù)器的計數(shù)時鐘為clk0， 頻率為f0；被測信號為clkx，頻率為fx。采用一個D觸發(fā)器對輸入的被測信號clkx進行同步，同步輸出為s0。在clk0的上升沿到來之前，如果clkx出現(xiàn)了上升跳變，則le信號變?yōu)楦唠娖剑嫈?shù)器ct的重載信號和鎖存器cout的使能信號有效。當clk0的上升沿到來時，計數(shù)器的計數(shù)值鎖存，同時計數(shù)器重載為1，重新開始計數(shù),le變?yōu)榈碗娖?。計?shù)器在其他時間里進行加1計數(shù)，鎖存器的值則保持不變。該測周期計數(shù)器能在clkx的每個上升沿之后輸出計數(shù)值，實現(xiàn)了對被測信號進行測周期計數(shù)，并始終輸出其最新一個周期的計數(shù)值，圖中cint端輸出一個clk0周期寬度的高脈沖，用于指示新的計數(shù)值鎖存。

圖2  同步測周期數(shù)字頻率計

圖3  頻率計cint的改進電路

設該計數(shù)器的測周期計數(shù)值為M0，由于同步測周期法的分辨率為一個標準時鐘周期，因此有：
該同步測周期計數(shù)器的測周期計數(shù)值最小為2，要求被測信號高低電平的寬度大于一個標準時鐘周期。
基于上述同步測周期計數(shù)器，本文設計了如圖2所示的高精度數(shù)字頻率計。freq_div模塊是一個分頻器，對標準時鐘clk0進行系數(shù)為C0的分頻。頻率計采用了兩個同步測周期計數(shù)器同時工作，計數(shù)值輸出端口分別為cout和mout。為了避免由于同步測周期計數(shù)器中被測信號和標準時鐘不同步，le信號高電平的寬度不固定而造成的計數(shù)出錯，在實際應用中，采取將被測信號先經過一個D觸發(fā)器同步后再送入計數(shù)器的方法，以保證計數(shù)的可靠性，其計數(shù)值和頻率的關系仍滿足(1)式。設cout輸出的值為C，mout輸出的值為M，根據頻率計的結構，對于其中以clkx為計數(shù)時鐘的計數(shù)器，由(1)式得：

同理，對于以clk0為計數(shù)時鐘的計數(shù)器，有：

根據兩個測周期計數(shù)器的計數(shù)值M、C，被測信號的頻率按下式計算得到
                                    
根據(3)式，計算結果的最大誤差為：

相對誤差為：   

因此，只要使計數(shù)值C足夠大就可以保證頻率測量的精度。將(3)和(4)兩式相除并忽略小項得C和C0的關系如下：

給定C0，測周期計數(shù)值C的最大可變范圍為：。因此，根據實際測量精度的要求，設定適當?shù)姆诸l器分頻系數(shù)C0，即可保證實際的測周期計數(shù)值C的大小在精度要求的范圍內。對于上述的數(shù)字頻率計，如果增大分頻器分頻系數(shù)C0，提高測周期計數(shù)器的計數(shù)范圍，可實現(xiàn)對輸入信號寬頻段高精度的頻率測量。

圖4 輸入被測信號周期為156ms時的仿真波形

數(shù)字頻率計的VHDL實現(xiàn)
上述的同步測周期數(shù)字頻率計在Altera 公司的FPGA開發(fā)平臺Quartus II中實現(xiàn)，模塊采用VHDL語言描述，具有通用性和可重用性。圖1中的同步測周期計數(shù)器的VHDL描述如下：
library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
use ieee.std_logic_unsigned.all;
use ieee.std_logic_arith.all;
entity freq_count is   --實體定義
port(  reset: in std_logic;  
    clk0 : in std_logic; 
    clkx : in std_logic; 
    cint : out std_logic; 
    cout : out std_logic_vector(23 downto 0));
end entity freq_count;
architecture ar of freq_count is        
signal s0 : std_logic;
signal ct : std_logic_vector(23 downto 0);
begin
p0: process(reset,clk0) 
--計數(shù)器進程
begin
if reset='0' then
  s0<='0';
  cint<='1';
  cout<=conv_std_logic_vector(0,24);
else
if clk0'event and clk0='1' then
   s0<=clkx;
 if s0='0' and clkx='1' then
      cout<=ct;
   cint<='0';
  ct<=conv_std_logic_vector(1,24);
 else
   cint<='1';
   ct<=ct+1;
 end if;
end if;
end if;
end process p0;
end ar;
測周期計數(shù)值M、C分別由mout和cout端口輸出，通過一定的接口由微處理器或其他的數(shù)據處理模塊獲取，進行頻率的計算和顯示，根據實際的應用情況設計輸出接口，這里不再詳述。當頻率計新一輪的測周期計數(shù)完成后，計數(shù)器通過cint和mint信號指示處理單元來獲取數(shù)據，其高電平脈沖的寬度為一個計數(shù)時鐘周期。當計數(shù)時鐘頻率很高時，一些慢速的單片機可能無法捕獲，因此(以cint信號為例)增加如圖3所示的電路。cint上升沿使D觸發(fā)器輸出引腳cdone置0，通知單片機取數(shù)，單片機讀結果時，相應的地址信號和讀信號有效使圖中的cint_set有效，cdone被復位為1，等待下一次cint脈沖的出現(xiàn)。通過該電路，慢速單片機就可以捕獲頻率計計數(shù)完成的指示信號。
為了使頻率計的設計更加靈活，頻率計中分頻器的分頻系數(shù)也可改為由外部輸入。在頻率計運行期間，由外部控制器設置不同的分頻系數(shù)C0，這樣可實現(xiàn)更寬范圍的頻率測量。

頻率計的仿真驗證
上述數(shù)字頻率計的VHDL設計在Altera公司的Quartus II開發(fā)平臺下進行了編譯和仿真，圖4是在clk0輸入10 MHz方波，clkx輸入周期為156ms(頻率為6.41KHz)方波，分頻系數(shù)C0取15000時的仿真波形。
本文采用Altera公司的FPGA FLEX10K10LC84-4來實現(xiàn)上述的頻率計，計數(shù)器計數(shù)值的處理和顯示由 51單片機來完成，同步測周期數(shù)字頻率計的參數(shù)和測試結果是：計數(shù)器寬度為24 bit；分頻系數(shù)C0取106；計數(shù)時鐘頻率f0為1MHz；FPGA邏輯單元的使用比例為41%；測量的頻率范圍是1Hz<fx<16MHz；測量誤差小于 10-5。

結語
本文設計的同步測周期計數(shù)器能夠直接對被測信號進行連續(xù)的測周期計數(shù)，可以在許多頻率測量的設計中取代門控計數(shù)器，使設計更加靈活。文中采用兩個同步測周期計數(shù)器設計的數(shù)字頻率計，無需選擇量程便可實現(xiàn)寬頻段高精度的頻率測量，并在FPGA中實現(xiàn)了系統(tǒng)集成?！?BR>