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基于FPGA的多功能全同步数字频率计设

计

作者：饶成明马希直

来源：《现代电子技术》2010年第02期

摘要:在分析比较现有测频方法优缺点的基础上,介绍全同步测频原理,给出采用AT89C51

单片机实现控制,并通过FPGA芯片,在Max+PlusⅡ中运用VHDL语言编程,设计出一个多功能

全同步数字式频率计。该设计可以兼顾频率计对速度、资源和测频精度等各方面的优化需求。

关键词:FPGA;多功能;全同步;频率计;VHDL

中图分类号:TN74;TP368.1文献标识码:B

文章编号:1004-373X(2010)02-151-03

DesignofMulti_functionalFull_synchronizationDigitalFrequency

MeterBasedonFPGA

RAOChengming1,2,MAXizhi1

(1.CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,NanjingUniversityofAeronauticsand

Astronautics,Nanjing,210016,China;

2.WuxiInstituteofTechnology,Wuxi,214121,China)

isintroduced,andamulti_functionalfull_synchronizationdigitalfrequencymetercontrolledby

SCM_AT89C51andVHDLLanguageisusedfordevelopingaprograminMax+PlusⅡthrough

FPGAchipispresented.Thisdesignmethodscanmeettheneedsofmeasurementsforrate,resource

andfrequencyaccuracyofthefrequencymeter.

Keywords:FPGA;multi_function;full_synchronization;frequencymeter;VHDL

引0言

在电子技术领域内,频率是最基本的参数之一。由于测频的重要性,也使测频方法有了很大

的发展。常用的数字频率测量方法有M法(直接测量法)、T法(周期测量法)和M/T法(等精度测

量法),但这三种方法都存在±1个计数误差的问题。全同步测量法的提出,从根本上消除了测量精

度±1个计数误差问题[1],从而使频率测量的精度和性能大为改善。

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基于传统测频方法的频率计测量精度随被测信号频率的变化而变化,且功能单一,成本较高,

在实用中有很大的局限性[2]。全同步测量不但有很高的测量精度,而且在整个频率区域能保持

恒定的测量精度,同时通过功能的扩展,可以解决电信号和非电量的多个参数测量,从而实现功能

的多样化。在此,基于对单片机控制技术、FPGA器件和全同步测量方法的研究,给出一种利用

FPGA实现DC-50MHz多功能全同步数字频率计的实现方法及其仿真波形。整个系统在研制

FPGA/CPLD实验开发系统上调试通过。采用这种方法,可以大幅度缩短设计周期,并使设计产品

具有小型化,功耗低,速度高,集成度和可靠性高的优点。

全同步测频1原理

M/T法的测量精度不仅取决于基准时间和计数器的计数误差,还取决于频率,频率不同,则其

精度不一样。M法在高频段的准确度相对较高,T法在低频段的准确度较高,M/T法在整个测试

频段的精度一样。闸门信号是被测信号的整数倍,与被测信号同步,因此大大减少了误差,但由于

只与被测信号同步,而不与标准时钟同步,因此还是存在着±1个计数误差。其测量频率原理如图

1所示[3]。

图1等精度测频原理

若不计标准时钟误差,则测量的相对误差计算为:

-

式中为被测信号频率的真实值为被测信号频率的测量值