一種優(yōu)化周期測(cè)頻法數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)

茍銘澤 ，崔少輝 ，魏保華 ，2

（1.陸軍工程大學(xué) 導(dǎo)彈工程系，河北 石家莊 050003；2.電子信息系統(tǒng)復(fù)雜環(huán)境效應(yīng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽(yáng) 471003；3.中國(guó)人民解放軍63850部隊(duì)，吉林 白城 137001）

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，時(shí)間及頻率測(cè)量的意義已越來(lái)越重要，在衛(wèi)星發(fā)射、飛行導(dǎo)航、天文觀測(cè)、通信廣播、科學(xué)研究、生產(chǎn)生活等各個(gè)方面都需要對(duì)時(shí)間及頻率進(jìn)行測(cè)量[1]。頻率測(cè)量的方法主要有直讀測(cè)頻法、比較測(cè)頻法、脈沖計(jì)數(shù)測(cè)頻法[2]。其中，脈沖計(jì)數(shù)測(cè)頻法又分為直接測(cè)頻法和周期測(cè)頻法，二者最主要的區(qū)別是前者的計(jì)數(shù)閘門由標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)充當(dāng)，后者的計(jì)數(shù)閘門由被測(cè)信號(hào)充當(dāng)[3]。但是直接測(cè)頻法和周期測(cè)頻法都存在±1計(jì)數(shù)誤差問(wèn)題，導(dǎo)致測(cè)量精度不理想[4]。其中，周期測(cè)頻法是以被測(cè)信號(hào)作為計(jì)數(shù)閘門，如果被測(cè)信號(hào)的頻率過(guò)高，閘門也跟著變窄，導(dǎo)致計(jì)數(shù)誤差變大，所以周期測(cè)頻法不適用于測(cè)量高頻信號(hào)[5]。本文針對(duì)周期測(cè)頻法的這一問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種優(yōu)化周期測(cè)頻法的數(shù)字頻率計(jì)，使其可以測(cè)量高頻信號(hào)。

1 總體方案設(shè)計(jì)

周期測(cè)頻法之所以在測(cè)高頻信號(hào)存在較大誤差，是因?yàn)檫@種方法由待測(cè)信號(hào)fx作為閘門，一旦fx頻率過(guò)高，閘門也就隨之變窄，從而影響到計(jì)數(shù)結(jié)果的準(zhǔn)確度[6]。

本文設(shè)計(jì)思路是：所有測(cè)量結(jié)果均用周期表示（單位：μs）：先對(duì)待測(cè)信號(hào)進(jìn)行量程范圍的預(yù)估，從而確定真實(shí)測(cè)量結(jié)果的小數(shù)點(diǎn)位置以及分頻數(shù)N；再將待測(cè)信號(hào)進(jìn)行2×10N分頻，擴(kuò)大閘門寬度進(jìn)行周期測(cè)量（此時(shí)所測(cè)周期是真實(shí)周期的10N倍）；所測(cè)數(shù)據(jù)和小數(shù)點(diǎn)相結(jié)合顯示出來(lái)的即為待測(cè)信號(hào)的周期。

頻率計(jì)采用模塊化的設(shè)計(jì)方法[7]，主要包括量程估計(jì)模塊、分頻產(chǎn)生閘門模塊、測(cè)周期模塊以及小數(shù)點(diǎn)產(chǎn)生模塊，其總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。其中，標(biāo)準(zhǔn)頻率f0是由10 MHz的外部晶振產(chǎn)生，它和待測(cè)頻率fx一同經(jīng)過(guò)量程估計(jì)模塊，得出量程范圍Range；分頻產(chǎn)生閘門模塊和小數(shù)點(diǎn)模塊根據(jù)Range的數(shù)值產(chǎn)生相應(yīng)的閘門信號(hào)Gate和小數(shù)點(diǎn)位置；而后使用該閘門信號(hào)進(jìn)行周期測(cè)頻。

圖1 頻率計(jì)組成圖Fig.1 Composition diagram of frequency meter

2 核心模塊的設(shè)計(jì)

量程估計(jì)模塊、小數(shù)點(diǎn)產(chǎn)生模塊和分頻產(chǎn)生閘門模塊是本文的核心，下面對(duì)它們進(jìn)行介紹。

2.1 量程估計(jì)模塊的設(shè)計(jì)

該模塊的功能是對(duì)被測(cè)信號(hào)fx進(jìn)行頻段的預(yù)估，也可以說(shuō)是對(duì)頻率計(jì)量程的估計(jì)，最終輸出的結(jié)果是以數(shù)字0～7表示的量程。量程估計(jì)是根據(jù)計(jì)數(shù)器在計(jì)數(shù)閘門下的實(shí)際結(jié)果與劃分頻段的理論計(jì)數(shù)范圍進(jìn)行比較（見(jiàn)表1），從而確定相應(yīng)的量程編號(hào)[8-9]。其原理結(jié)構(gòu)如圖2所示。f0是計(jì)數(shù)時(shí)鐘，7位BCD計(jì)數(shù)器在經(jīng)過(guò)二分頻的fx，電平為低時(shí)開(kāi)始計(jì)數(shù)。zeros[6..0]是每一位BCD數(shù)的 0標(biāo)志位（zeros[i]=1，則第i位數(shù)為 0；zeros[i]=0，則第i位不為0），count是計(jì)數(shù)器的進(jìn)位信號(hào)。

圖2 量程估計(jì)模塊的原理圖Fig.2 Schematic diagram of range estimation module

量程估計(jì)模塊的工作原理如下：計(jì)數(shù)器在fx二分頻信號(hào)的低電平下計(jì)數(shù)，此時(shí)計(jì)數(shù)器實(shí)時(shí)向寄存器發(fā)送count和zeros[6..0]的值。寄存器內(nèi)控制程序執(zhí)行循環(huán)依次讀取count到zeros[6..0]數(shù)值的操作，如果count=1，則說(shuō)明計(jì)數(shù)器溢出了，那么量程編號(hào)為“0”；如果count=0且zeros[6]=0，則量程編號(hào)為“1”；如果count=0且zeros[6]=1，zeros[5]=0，則量程編號(hào)為“2”；如果count=0且zeros[6]=1，zeros[5]=1，zeros[4]=0，則量程編號(hào)為“3”，依次向下進(jìn)行判斷。

表1 頻段、計(jì)數(shù)值與量程對(duì)應(yīng)關(guān)系Table 1 Correspondence of frequency band，count value and range

因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)頻率是10 MHz，那么如果待測(cè)頻率是屬于0.1～1 Hz的范圍，則計(jì)數(shù)器在fx二分頻信號(hào)閘門內(nèi)計(jì)數(shù)的最大值為108，最小值為107，必將引起溢出，使得count=1，則量程編號(hào)為“0”。同理，若待測(cè)頻率屬于102～103Hz的范圍，則計(jì)數(shù)值在 104～105之間，此時(shí)，count=0 且zeros[6]=1，zeros[5]=1，zeros[4]=0，則量程編號(hào)為“3”。

圖3分別對(duì)應(yīng)的是待測(cè)頻率分別為1.234 MHz，876 kHz，8 Hz時(shí)的仿真結(jié)果。從仿真結(jié)果來(lái)看，量程估計(jì)在剛開(kāi)始的一段時(shí)間會(huì)由于計(jì)數(shù)的不穩(wěn)定造成誤判，隨著多次重復(fù)的計(jì)數(shù)，結(jié)果得以修正，最終得到的結(jié)果均符合表1的規(guī)定。

圖3 量程估計(jì)模塊仿真結(jié)果Fig.3 Simulation results of range estimation module

2.2 小數(shù)點(diǎn)模塊的設(shè)計(jì)

小數(shù)點(diǎn)模塊的本質(zhì)其實(shí)是一個(gè)選擇器[7]，其在接收到量程估計(jì)模塊的量程值range后，根據(jù)不同的range值選擇執(zhí)行對(duì)數(shù)碼管小數(shù)點(diǎn)的控制程序。該頻率計(jì)最終的顯示結(jié)果是以μs為單位的周期值，待測(cè)頻率的范圍是 0.1～107Hz，所以顯示結(jié)果的范圍是 0.1～107μs。測(cè)試結(jié)果是由7位數(shù)碼管顯示，控制程序給“1”，表示點(diǎn)亮某位數(shù)碼管的小數(shù)點(diǎn)，給“0”則不顯示小數(shù)點(diǎn)。需要說(shuō)明一點(diǎn)，7位數(shù)碼管顯示的小數(shù)點(diǎn)只能是“X.XXXXXX”～“XXXXXXX.”，無(wú)法顯示“0.XXXXXXX”的模式，故約定所有小數(shù)點(diǎn)都亮表示該模式。量程與小數(shù)點(diǎn)顯示的關(guān)系如表2所示。

表2 量程與小數(shù)點(diǎn)對(duì)應(yīng)關(guān)系Table 2 Correspondence between range and decimal point

2.3 分頻產(chǎn)生閘門模塊

周期測(cè)頻法在測(cè)量高頻信號(hào)時(shí)存在較大誤差的原因是隨著信號(hào)頻率的增加，計(jì)數(shù)閘門變窄，使得計(jì)數(shù)產(chǎn)生大的誤差。所以本文設(shè)計(jì)了分頻模塊，通過(guò)該模塊根據(jù)量程編號(hào)對(duì)待測(cè)信號(hào)fx進(jìn)行相應(yīng)的10N分頻，從而使計(jì)數(shù)閘門變寬，其中N為分頻數(shù)。本文規(guī)定，除量程0和1時(shí)，N=0；其他量程情況下，N=量程編號(hào)-1。通過(guò)計(jì)算可以得到，除了量程“0”外，其余量程下的信號(hào)經(jīng)過(guò)分頻后產(chǎn)生的新閘門寬度都在0.1～1 s之間。

本模塊使用7位BCD計(jì)數(shù)器對(duì)待測(cè)信號(hào)fx進(jìn)行分頻。其原理是利用其零標(biāo)志位zeros[i]的輸出來(lái)控制分頻[10]。例如：當(dāng)7位BCD計(jì)數(shù)器百位數(shù)字是0時(shí)，則zeros[2]=1，輸出為高電平；百位數(shù)字非0，則zeros[2]=0，輸出為低電平。此時(shí)高電平占100個(gè)計(jì)數(shù)周期，低電平占900個(gè)計(jì)數(shù)周期，所以zeros[2]是fx的103分頻。

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否正確，對(duì)該模塊進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖4所示。圖中分別對(duì)應(yīng)當(dāng)fx為8 MHz，50 kHz，600 Hz時(shí)的閘門產(chǎn)生情況，可以看出符合設(shè)計(jì)要求。

3 系統(tǒng)整體的綜合及仿真驗(yàn)證

根據(jù)圖1的總體結(jié)構(gòu)圖設(shè)計(jì)各個(gè)模塊，得到最后如圖5所示的頂層設(shè)計(jì)圖。對(duì)此進(jìn)行系統(tǒng)仿真，結(jié)果如圖6所示。其中，圖6a）的fx為8.76 MHz，理論計(jì)算其周期為0.114 155 2 μs，仿真結(jié)果為0.114 154 9 μs，誤差為2.628×10-6。圖 6b）的fx為 50 kHz，理論計(jì)算其周期為20 μs，仿真結(jié)果為19.999 99 μs，誤差為5×10-7。仿真結(jié)果表明符合設(shè)計(jì)要求。

圖4 分頻產(chǎn)生閘門模塊的仿真結(jié)果Fig.4 Simulation results of gate module generated by frequency division

圖5 頻率計(jì)的QuartusⅡ頂層邏輯圖Fig.5 QuartusⅡtop-layer logic diagram of frequency meter

圖6 頻率計(jì)仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results of frequency meter

4 結(jié) 語(yǔ)

本文利用FPGA設(shè)計(jì)了一種優(yōu)化周期測(cè)頻法的頻率計(jì)，其在測(cè)量高頻信號(hào)時(shí)也能持有較高精度。該頻率計(jì)有量程估計(jì)模塊，不需人為設(shè)置量程，而且量程模塊本身也是提高測(cè)試精度的關(guān)鍵模塊，它先預(yù)估待測(cè)信號(hào)的頻段，后面的測(cè)量模塊再在該頻段內(nèi)精確測(cè)量。從仿真結(jié)果看，該頻率計(jì)測(cè)量誤差控制在10-6～10-7之間，具有較好的應(yīng)用價(jià)值。