基于MicroBlaze軟核的等精度頻率計設(shè)計

韓瑞，張瑩瑩，楊文，陳華寶

（淮陰師范學(xué)院 物理與電子電氣工程學(xué)院，江蘇淮安，223001）

0 引言

頻率計是一種專門對被測信號頻率進(jìn)行測量的電子測量儀器，能夠快速準(zhǔn)確地捕捉到被測信號頻率的變化。在電子技術(shù)中，頻率與許多電參量的測量方案、測量結(jié)果都有十分密切的關(guān)系，因此，頻率計在科學(xué)研究、精密測量和工業(yè)控制等方面都有著較廣泛的應(yīng)用。針對傳統(tǒng)的頻率計存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、穩(wěn)定性差、精度不高且成本較高等缺陷，本文基于MicroBlaze軟核設(shè)計的等精度頻率計，可實(shí)現(xiàn)對被測信號頻率、周期、脈沖寬度和占空比的測量及顯示。

1 等精度頻率測量原理

等精度頻率計測頻原理如圖1所示。當(dāng)控制器發(fā)出預(yù)置閘門控制信號CL，并且被測信號上升沿到來時D觸發(fā)器有輸出，使能兩個計數(shù)器BZH、TF，分別對標(biāo)準(zhǔn)信號和被測信號進(jìn)行計數(shù)；當(dāng)控制器關(guān)閉預(yù)置閘門控制信號CL，并且被測信號上升沿到來時D觸發(fā)器輸出為零，兩個計數(shù)器同時停止計數(shù)。其時序如圖2所示，由于采用D觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)預(yù)置閘門的同步作用，TF計數(shù)器所記錄的NX值已不存在誤差的影響，而時鐘信號與閘門的開和關(guān)無確定的相位關(guān)系，BZH計數(shù)器所記錄的NS的值仍存在±1誤差的影響，但由于時鐘頻率很高，對誤差影響很小，所以在全頻段的測量精度是均衡的，從而實(shí)現(xiàn)等精度頻率測量。顯然在實(shí)際的閘門時間內(nèi)有：

由于t為Nx周期的整數(shù)倍，因而Nx的正負(fù)誤差為0，即DNx=0，又 DNs=±1，Dfs=0，則 ：

圖1 等精度測頻原理圖

圖2 等精度測頻時序圖

由上式可看出測量頻率的相對誤差與被測信號的頻率的大小無關(guān)，僅與閘門時間和標(biāo)準(zhǔn)信號頻率有關(guān)。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)定性好，精度高的高頻率晶振產(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。

2 系統(tǒng)設(shè)計方案

系統(tǒng)主要由放大整形電路、片上等精度測頻模塊以及顯示模塊等部分組成，其整體框架如圖3所示。被測信號經(jīng)過放大整形電路處理后，輸出原頻信號和64分頻信號到選擇門，當(dāng)被測信號頻率大于30MHz，自動切換到64分頻輸入。測頻模塊通過其MicroBlaze嵌入式軟核和Verilog HDL設(shè)計的外圍功能模塊完成測量控制與數(shù)據(jù)處理，最后采用LCD12864，將所測信號的頻率、周期進(jìn)行實(shí)時顯示。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方框圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 前置調(diào)理電路設(shè)計

由于被測高頻小信號不能由數(shù)字系統(tǒng)直接進(jìn)行處理，故要對被測信號進(jìn)行前置放大調(diào)理，其電路組成如圖4所示。首先通過場效管2N5485隔離放大，再通過高頻運(yùn)放MC10116進(jìn)行整形放大，整形后的信號分為兩路輸出。

圖4 前置調(diào)理電路組成框圖

3.2 片上等精度測頻模塊設(shè)計

測頻模塊主要由選擇門、預(yù)置閥門、與門、被測信號和標(biāo)準(zhǔn)信號計數(shù)器以及Microblaze軟核等組成，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。選擇門由Microblaze軟核控制將被測信號送給與門，當(dāng)其輸出端有信號時，使能兩個計數(shù)器分別對標(biāo)準(zhǔn)信號和被測信號進(jìn)行計數(shù)，從而得到Microblaze軟核測算頻率所需的數(shù)據(jù)。

3.3 顯示模塊設(shè)計

等精度頻率測量模塊測得的頻率數(shù)據(jù)通過MicroBlaze軟核進(jìn)行處理顯示，顯示模塊采用LCD12864液晶顯示。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 測頻程序設(shè)計

圖5為測頻程序設(shè)計流程圖。在VIVADO軟件開發(fā)環(huán)境下，利用Verilog語言，依據(jù)等精度頻率測量的原理，由MicroBlaze軟核發(fā)出計數(shù)指令，計數(shù)器在規(guī)定的時間內(nèi)完成計數(shù)，并把計數(shù)值進(jìn)行返還，MicroBlaze軟核讀入計數(shù)值并對其進(jìn)行處理。

圖5 測頻程序流程圖

圖6 主控程序流程圖

4.2 主控程序設(shè)計

圖6 為主控程序設(shè)計流程圖。系統(tǒng)將VIVADO中硬件描述語言綜合編譯生成的bit文件導(dǎo)入到集成開發(fā)環(huán)境SDK(Software Development Kit)中，進(jìn)行C語言編程實(shí)現(xiàn)頻率計的邏輯功能。閘門時間由定時器控制，其默認(rèn)時間為1s。當(dāng)定時器產(chǎn)生中斷，控制器關(guān)斷閘門預(yù)置信號CL，計數(shù)器停止計數(shù)，如果閘門監(jiān)測信號EEND為零，讀取計數(shù)器計數(shù)值，對數(shù)據(jù)處理送LCD12864顯示，然后開啟預(yù)置信號CL、使能異步復(fù)位信號CLR對計數(shù)器清零進(jìn)入下一次循環(huán)。

5 結(jié)束語

隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)場可編程門陣列被廣泛用于硬件系統(tǒng)中的邏輯控制與通信中，芯片生產(chǎn)家推出越來越多可靠并且功能強(qiáng)大的IP核，尤其是軟件處理核，凸顯了FPGA作為主控芯片的優(yōu)勢，從而使得FPGA在越來越多的電子產(chǎn)品中被使用。本文在FPGA芯片上基于MicroBlaze軟核設(shè)計的等精度頻率計不僅大大減小了頻率計硬件電路的尺寸，而且提高了整體電路的穩(wěn)定性、可靠性。

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