基于VHDL語言的數(shù)字頻率計的設(shè)計方案

　　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(fù)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。

　　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。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.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。

　　3.1 狀態(tài)機模塊

　　首先對系統(tǒng)復(fù)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P 1 s,如果還有超量程則狀態(tài)轉(zhuǎn)換到OverflowL產(chǎn)生低溢出信號。如圖1所示。

　　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(yù)分頻的方法，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 is4.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。

　　5.結(jié)論

　　本方案所設(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，具有一定的實用價值。利用QuartusII平臺進行了仿真和硬件測試，基本達到了設(shè)計的要求。從而證實了本方案的具有較好可靠性，靈活性以及實用性