1 引 言

頻率測量不僅在工程應用中有非常重要的意義，而且在高精度定時系統中也處于核心地位，±1個計數誤差通常是限制頻率測量精度進 一步提高的重要原因。由于測頻技術的重要性，使測頻方法也有了很大的發展，常用數字頻率測量方法有M法，T法，和M／T(等精度測量法)法。M法，T法， 和M／T法都存在±1個計數誤差問題：M法存在被測閘門內±1個被測信號的脈沖個數誤差，T法或M／T法也存在±1個字的計時誤差，這個問題成為限制測量 精度提高的一個重要的原因。全同步頻率測量法[1]，從根本上消除了限制測量精度提高的±1個計數誤差問題，從而使頻率測量的精度和性能大為改善。

基于對FPGA器件和EDA技術以及全同步測頻方法的研究[2，3]，介紹一種利用FPGA實現DC～100 MHz全同步數字頻率計的實現方法，并給出VHDL實現代碼和仿真波形。整個系統在研制的FPGA／CPID實驗開發系統上調試通過。本設計采用了高集成度的現場可編程門陣列(Field Program-mable Gata Array，FPGA)Flex EPF10k20TCl44-4芯片[4]，通過軟件編程對目標器件的結構和工作方式進行重構，能隨時對設計進行調整，使得本設計具有集成度高、結構靈活、開發周期短、可靠性高的優點。

在文獻[2，5]中所描述的等精度頻率測量方法中，其測頻原理如圖1所示。



其 誤差與閘門時間和標準時鐘頻率有關，閘門時間越長，標準時鐘頻率越高，誤差越小。因此，用等精度測頻法時所取的標準時鐘頻率比較高(10 MHz以上)，因此±1計數誤差相對很小。標準時鐘頻率不可能無限制提高，并且隨著頻率提高，產品成本成倍增加，對于生產應用沒有意義。因此本設計用改進 的等精度頻率測量方法--全同步測量來實現數字頻率計的設計。在全同步的情況下，閘門信號不僅與被測信號同步，還與標準時鐘同步。其原理圖如圖2所示。

2 全同步測頻原理簡述
由文獻[1，6]可知：設開啟閘門時脈沖同步時間差為△t1，關閉閘門時脈沖同步時間差為△t2，脈沖同步檢測最大誤差為△t，則有：△t1≤△t，△t2≤△t。頻率測量的相
對誤差如式(2)所示：

由式(1)可知，誤差只與脈沖檢測電路準確度有關，顯然，控制△t來提高頻率測量精度是有效的，而且實現走來比提高標準時鐘頻率更容易。




在以上分析的基礎上，本設計采用FPGA來實現全同步數字頻率計。其系統原理框圖如圖3所示。由圖3可知，設計的絕大部分由FPGA完成，只有脈沖同步檢測電路由74LS系列與非門來實現，以及顯示部分由數碼管構成。


3 全同步數字頻率計模塊設計
由系統原理框圖3，則其FPGA內部模塊電路設計原理如圖4所示。



設 計原理圖主要由以下幾部分組成：脈沖同步檢測電路、2個計數器、2個鎖存器、控制器、乘法器、除法器、澤碼電路等組成。工作原理如下：被測頻率與標準時鐘 分別送給脈沖同步檢測電路與2個計數器，當脈沖同步檢測電路檢測到被測頻率與標準時鐘相位同步時，脈沖同步檢測電路發出同步信號，2個計數器開始計數，當 脈沖同步檢測電路再次檢測到間步信號時，義發出同步信號，計數器停止計數。同時計數器的計數值鎖存到鎖存器，時序乘法器從鎖存器中取得被測頻率的計數值與 標準時鐘頻率進行乘法運算，然后再將乘法器運算所得的值與標準時鐘的計數值送給除法器，乘法器的結果為被除數，標準時鐘的計數值為除數，運算所得結果就是 被測信號的頻率，然后冉經過二卜進制轉換變成BCD碼，送給數碼管顯示。本設計采用10 MHz的標準時鐘，由于乘法器輸入是27位二進制，相當于9位10進制數，而10 MHz的標準時鐘為107Hz，因此用被測頻率的計數值乘以108可得到一位小數點。
3．1 脈沖同步檢測電路

脈沖同步檢測電路 沒計原理圖如圖5所示。U1～U8為74LS系列與非門，同步檢測電路利用門電路的延時來構成。當被測信號及標準時鐘都處在低電平時，U1，U2輸出為高 電平，U3，U4的輸出為高電平，U5，U6輸出為低電平，則U8輸出為低電平。當被測信號(Fx)及標準時鐘的上升沿同時到來時，由于門電路具有延時特 性，因此U1，U2并不馬上變為低電平，而是要經過一個延時才變為低電平。于是U3，U4的輸入端都是高電平，則U3，U4
輸出為低電平，U5，U6的輸出為高電平，則U8輸出為高電平。但是當且儀當Fx與CLK的上升沿在在延時時間內同時到達時U8才會輸出高電平。74LS系列與非門的延時最小為4 ns，最大為15 ns，因此最大誤差為11ns。根據公式(2)得：



當T0為1 s時，其精度可達到10－7，如再減小相位誤差，則可提高頻率計的精確度。

3．2 FPGA芯片內部模塊電路設計和仿真結果
FPGA芯片內部模塊電路設計和仿真結果如圖6到圖9所示。


3．2．1 計數器
此 計數播為27位二進制，具有計數使能端(ena)、異步清零端(clr)、時鐘輸入端(clk)、進位輸出端(ov)等。當異步清零端(clr)為高電平 時，不管計數使能端是否有效，時鐘上升沿是否到來，計數器都立即清零，即q＝0。只有異步清零端(clr)為低電平，并且汁數使能端為高電平，有上升沿到 來時，計數器才開始計數，當計數器計滿時，進位輸出為高電平。計數器VHDL程序仿真圖如圖6所示。




3．2．2 乘法器
由 于本設計所用的乘法器位數較寬，而組合邏輯乘法器位數越多耗用的硬件資源成倍增長，并且本設計不需要有很高的運算速度，考慮到硬件資源與運算速度，因此采 用時序電路來實現乘法器，其原理是通過逐項移位相乘相加來實現。他是一種犧牲運算時間換取硬件資源的方案。乘法器的VHDL程序仿真圖如圖7所示。




3．2．3 除法器

除法器則可通過移位相減相除來實現，其工作原理與剩法器是一樣的，其VHDL程序仿真圖如圖8所示。




3．2．4 控制器

控 制器工作時序如下：當同步信號(clk)上升沿到來時，計數使能信號(cp)立即變成高電平，鎖存信號(creg)及清零信號(clr)變成低電平，同步 信號(clk)的上升沿再次到來時，除清零信號(clr)外，其余信號均取反，當同步信號(clk)的下降沿到來時，清零信號(clr)變成高電平。當同 步信號又到來時，重復上述過程，其仿真結果如圖9所示。




3．2．5 頂層設計

由 模塊電路設計原理圖4，經過VHDL編程，得到各模塊的VHDL設計實體，然后對各模塊的設計實體在Max＋PlusⅡ中進行仿真，驗證各模塊的正確性。 最后再設計一個頂層文件把各模塊按圖4連接起來，便構成了一個全同步數字頻率計的FPGA內部硬件電路。下面給出頂層文件的仿真結果，由仿真圖10可看 出：124×108／93＝13 333 333，由于使用的是10 MHz的晶振，因此還有一位小數點最終顯示的結果應該是1 333 333．3Hz。由仿真圖11知，小數位在數碼管的第二位上有效，其余位均無效。仿真結果與期望結果一致。至此，本設計得到成功驗證。





4 結 語

本 文利用Altear公司的FPGA芯片FlexEPF10k20TC144-4 [5]，使用VHDL語言設計了全同步數字頻率計，在Max＋PlusⅡ中進行了各模塊的仿真，達到了預期結果。全同步數字頻率計是目前精度最高的頻率計 之一。在高速時鐘隨處可見的現代電子系統，有著非常廣泛的研究價值。從某種程度上說他是以犧牲時間來換取精確度的，但一般情況下測頻系統對時間的要求并不 高，并且由于電子系統對系統時鐘的準確度越來越高，因此全同步數字頻率計有著廣泛的應用空間。