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    基于VHDL語言的數(shù)字頻率計的設(shè)計

    2013-01-22 11:44:30重慶郵電大學光電工程學院牟洪江
    電子世界 2013年19期
    關(guān)鍵詞:頻率計測頻狀態(tài)機

    重慶郵電大學光電工程學院 牟洪江 楊 虹

    重慶信息技術(shù)學院經(jīng)貿(mào)學院 王 玲

    1.引言

    數(shù)字頻率計是通訊設(shè)備、計算機、電子產(chǎn)品等生產(chǎn)領(lǐng)域不可缺少的測量儀器。由于硬件設(shè)計的器件增加,使設(shè)計更加復雜,可靠性變差,延遲增加,測量誤差變大。通過使用EDA技術(shù)對系統(tǒng)功能進行描述,運用VHDL語言,使系統(tǒng)簡化,提高整體的性能和可靠性。采用VHDL編程設(shè)計的數(shù)字頻率計,除了被測信號的整形部分,鍵輸入和數(shù)碼顯示以外,其他都在一片F(xiàn)PGA上實現(xiàn),從而讓整個系統(tǒng)非常精簡,讓其具有靈活的現(xiàn)場更改性,在不改變硬件電路的基礎(chǔ)上,進一步改進提高系統(tǒng)的性能,使數(shù)字頻率計具有高速,精確度高,可靠性強,抗干擾等優(yōu)點,為數(shù)字系統(tǒng)進一步的集成創(chuàng)造了條件[1]。

    2.數(shù)字頻率計的工作原理

    頻率測量方法中,常用的有直接測頻法、倍頻法和等精度測頻法[2]。其中直接測頻法是依據(jù)頻率的含義把被測頻率信號加到閘門的輸入端,只有在閘門開通時間T(以ls計)內(nèi),被測(計數(shù))的脈沖送到十進制計數(shù)器進行計數(shù)。直接測頻法比其他兩個方案更加簡單方便可行,直接測頻法雖然在低頻段測量時誤差較大,但在低頻段我們可以采用直接測周法加測量,這樣就可以提高測量精度了。直接周期測量法是用被測周期信號直接控制計數(shù)門控電路,使主門開放時間等于Tx,時標為Ts的脈沖在主門開放時間進入計數(shù)器。設(shè)在Tx期間計數(shù)值為N,可以根據(jù)Tx=N×Ts來算得被測信號周期。因此本文采用低頻測周,高頻測頻的方法來提高精度,減小誤差[3]。

    3.主要功能模塊的實現(xiàn)

    該系統(tǒng)設(shè)計的控制器是由狀態(tài)機實現(xiàn),通過在不同測量檔位,選擇合理的時基信號頻率降低誤差,確定各狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件和狀態(tài)名,采用低頻檔位測周,高頻檔位測頻的方法。20MHz晶振送入分頻器,分出各檔時基信號和其它模塊所需的觸發(fā)信號,分頻器將各檔時基信號傳給狀態(tài)機,同時待測信號進入狀態(tài)機,狀念機進行狀態(tài)轉(zhuǎn)換,將量程溢出信號和狀態(tài)顯示信號表征在發(fā)光二極管上。如圖表1所示。

    表1 頻率量程狀態(tài)

    3.1 狀態(tài)機模塊

    首先對系統(tǒng)復位,如果此時狀態(tài)機的初始狀態(tài)為Fl00k,若超量程信號送入狀態(tài)機,則狀態(tài)轉(zhuǎn)換到FlM,如果仍有超量程信號則狀態(tài)轉(zhuǎn)換到F10M,如果仍有超量程信號則狀態(tài)轉(zhuǎn)換到F100M,如果還有超量程信號則狀態(tài)轉(zhuǎn)換到Overflow H產(chǎn)生高溢出信號;若欠量程信號送人狀態(tài)機,則狀態(tài)轉(zhuǎn)換到P1ms,如果有超量程信號則狀態(tài)轉(zhuǎn)換到P10ms,如果仍有超量程信號則狀態(tài)轉(zhuǎn)換到P100ms,如果仍有超量程信號則狀態(tài)轉(zhuǎn)換到P1s,如果還有超量程則狀態(tài)轉(zhuǎn)換到OverflowL產(chǎn)生低溢出信號[4]。如圖1所示。

    圖3 計數(shù)器

    3.2 計數(shù)器模塊

    在“待計數(shù)信號”的兩個時鐘周期內(nèi)完成計數(shù)與控制信號(Over與Low)的傳輸,在量程合適的情況下,還將計數(shù)值輸出。這兩個時鐘周期內(nèi),第1個時鐘周期完成計數(shù),第2個時鐘周期完成控制信號的傳輸與計數(shù)值輸出。這樣做的好處是穩(wěn)定,將計數(shù)與控制信號傳輸分開進行。避免了一些可能遇到的“時鐘跳變”。但這種做法的缺點也很明顯,那就是在測周期模式下,假如待測信號是1Hz的,那么系統(tǒng)可能需要2s(兩個時鐘周期)才能顯示正確的數(shù)值。

    3.3 十分頻模塊

    由于1kHz~10kHz的信號無論用測頻法還是測周期法都是不可行的,可以采用預分頻的方法[5],將1kHz~10kHz的信號十分頻,然后用測周期法測出周期,再計算出頻率。

    3.4 同步整形電路模塊

    通過同步整形電路處理外部的異步信號,超量程和欠量程。源程序如下:

    library ieee;

    use ieee.std_logic_1164.all;

    entity SignalLatch is

    4.系統(tǒng)的功能仿真和驗證分析

    據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖,這里將狀態(tài)機的程序分成兩個進程,進程1完成狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程,進程2控制各狀態(tài)下的輸出值如下圖2所示,timecounter=clocktested為50KHz。為了方便觀察,將數(shù)值改小,計數(shù)值大于100且小于或等于1000時輸出!將clock1設(shè)為50K,clock2計數(shù)時鐘設(shè)為5M,得出仿真如圖3所示Result為100符合計數(shù)要求。如圖4所示給clk1一個5KHz的頻率,經(jīng)過十分頻后clk2輸出0.5KHz,clk1的周期是0.2ms,經(jīng)過十分頻后是2ms.。同步整形電路仿真如圖5所示。

    由以上模塊進行仿真得出了頻率的測量。如圖6、7、8所示。

    圖4 十分頻

    圖5 同步整形電路

    圖6

    圖7

    圖8

    5.結(jié)論

    采用此方法設(shè)計的數(shù)字頻率計占用FPGA芯片資源較少,成本較低,減少了電路的尺寸,具有一定的參考實用價值。利用Quartus II平臺進行了仿真和硬件測試,基本達到了設(shè)計的要求。系統(tǒng)具有較好可靠性,靈活性。

    [1]王本有,孟堅,蘇守寶.一種基于FPGA的數(shù)字IC設(shè)計[J].電子技術(shù).

    [2]潘松,黃繼業(yè).EDA技術(shù)實用教程[M].北京:科學出版社,2010.

    [3]黃任.AVR單片機與CPLD/FPGA綜合應用入門[M].北京:北京航空航天大學出版社,2004.

    [4]韓威,徐火生,方湘艷.EDA與集成電路工程設(shè)計[M].北京:科學出版社,2009.

    [5]候伯亨,顧新.VHDL硬件描述語言與數(shù)字邏輯電路設(shè)計[M].西安電子科技大學出版社,2004:6.

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