一種寬量程數(shù)字頻率計的設(shè)計與仿真

邱鵬　張建德　霍瑛

摘要：為了快速準(zhǔn)確獲得各種電子信號的頻率，設(shè)計了一種基于FPGA（Field Programmable Gate Array）的寬量程數(shù)字頻率計，該頻率計運用自頂向下的設(shè)計思想，采用將系統(tǒng)按功能劃分模塊的設(shè)計方法。以FPGA為開發(fā)平臺，通過VHDL語言編程來設(shè)計數(shù)字頻率計各個模塊，從而更大限度地滿足測量范圍、精度和速度的要求。最后，使用MAX+plusII軟件仿真數(shù)字頻率計測量結(jié)果，進一步證明了該數(shù)字頻率計的有效性和可行性。

關(guān)鍵詞：頻率；數(shù)字頻率計；FPGA；MAX+plus II；VHDL語言

1背景

在電子通訊系統(tǒng)中，頻率是最基本的參數(shù)之一，而測量頻率是電子測量技術(shù)中最常見的參量測量之一，不少物理量的測量都涉及或本身就可轉(zhuǎn)化為頻率的測量。基于單元電路或單片機設(shè)計的傳統(tǒng)頻率計無論是在測頻范圍、精度、操作以及功能上都不十分理想，雖然目前市場上有各種多功能，高精度、高頻率的數(shù)字頻率計，但價格都很昂貴。

2相關(guān)研究

頻率計的作用是測量被測信號的頻率，但是由于被測信號在不同場所所處的頻段不同，變化范圍不同，同時對測量的精度也有不同的要求，因此產(chǎn)生了不同的頻率測量方法。大多數(shù)傳統(tǒng)數(shù)字頻率計測量范圍小、精度低、速度慢。隨著單片機的出現(xiàn)和發(fā)展，一定程度上優(yōu)化了數(shù)字頻率計的測量功能，但單片機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頻，而在高頻段利用測頻的方法，其精度往往會隨著被測頻率的上升而降低，因此設(shè)計一種能在整個測試范圍內(nèi)維持恒定的測試精度及造價低廉的頻率計就顯得十分必要了，特別是在數(shù)字頻率計軟硬件結(jié)合設(shè)計中，需要考慮測量周期、頻率和占空比等性能因素。FPGA具有以下優(yōu)點：其單片邏輯門數(shù)已達到上百萬門，實現(xiàn)的功能越來越強大；不需要設(shè)計人員承擔(dān)芯片投資風(fēng)險和費用；用戶可以反復(fù)地編程、擦除、使用，或者在外圍電路不動的情況下用不同軟件就可以實現(xiàn)不同的功能等。

基于對以上各因素的考慮，在FPGA開發(fā)平臺上使用VHDL編程語言設(shè)計數(shù)字頻率計能夠有效擴大測量范圍、提高測量精度和加快測量速度。

3寬量程數(shù)字頻率計的設(shè)計方案

3.1設(shè)計思路

根據(jù)設(shè)計的要求，需要對數(shù)字頻率計的測量范圍進行劃分。首先，頻率計的測量范圍設(shè)定在0.01 Hz-18 MHz之間，整個量程被分成四段的目的是可以給頻率計提供測量精度保證，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)法的同時提供八位整數(shù)，而在其他頻段都采用先測周期再求倒數(shù)的方法進行測量，測量結(jié)果保留三位有效數(shù)字，使用浮點數(shù)顯示。