基于FPGA的等精度频率计的设计Word文档格式.docx
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等精度；
频率测量；
FPGA；
VerilogHDL；
Libero。
Ⅰ
Abstract
Abstract:
Accordingtotheprincipleofmeasurementetcprecision,proposedbasedonFPGAdigitalfrequencyofdesignprojectprogress.Introducestheprincipleoffrequencymeasurementwithetcprecisionandsynchronous,andcomparativeanalysisthemeasurementprecisionandfeatureswiththetraditionalmeasuringmethod.Withmorethanprovedstepfrequencymethodwithetcprecisionandsynchronoushasperiodicadvantage.
BasedontheZhouLiGongcompanyproductionEasyFPGA030developmentboard,inLibero8.5integratedsoftwaredevelopmentenvironment,usinghardwareVerilogHDLprogramminglanguagetowritecountermodule,dividemodule.WithSynplifysynthetically,withModelSimsimulationgivingsimulationresults,Designerlayoutwiring.UsingFlashProdownloadthedesigntodevelopmentboard.
UseMUCandLEDdigitaltubetoshowthemeasurementresults.Use74LS244tristatebuffersandtransistortoamplifycurrentthatLEDdigitaltubebrighter.Use74LS14Schmitttoggleintegrationtoplasticsignal.
Throughsimulationanddownloadtothedevelopmentboard,canachievethefunctionoffrequencymeasurementetcprecision,Frequencymeasurementrangefrom1Hzto1MHz.Proofofthisschemeisfeasible,
Keywords:
equalprecision,frequencymeasurement,FPGA,Libero,HDL
Ⅱ
第1章绪论
1.1课题背景
EDA（ElectronicDesignAutomation——电子设计自动化）代表了当今电子设计技术的最新发展方向，通过VHDL（VeryHighSpeedIntegratedCircuitHardwareDescriptionLanguage）硬件描述语言的设计，用FPGA（Field－ProgrammableGateArray——现场可编程门阵列）来实现小型电子设备的设计，是开发仪器仪表的主流。
据统计，目前发达国家在电子产品开发中EDA工具的利用率已达50％，而大部分的FPGA已采用HDL（HardwareDescriptionLanguage——硬件描述语言）设计。
由于VHDL已成为IEEE标准，目前的EDA工具可以使ASIC系统的行为、功能、算法用VHDL描述直接生成FPGA器件，使设计者将精力集中于设计构思，提高了设计效率，同时也利于设计的分解、交流和重用。
目前最主要的方法是基于单片机和FPGA或CPLD利用EDA技术设计实现等精度频率测量，这使设计过程大大简化，缩短了开发周期，减小了电路系统的体积，同时也有利于保证频率计较高的精度和较好的可靠性。
而实现等精度的算法主要是，在计数法和测周期法基础上发展起来的新型等精度频率测量算法，主要原理是预置闸门信号频率时随着被测信号频率的改变而改变，从而实现了等进度的测量。
目前，市场上的频率计厂家可分为三类：
中国大陆厂家、中国台湾厂家、欧美厂家。
其中，欧美频率计厂家所占有的市场份额最大。
欧美频率计厂家主要有：
PendulumInstruments和Agilent科技。
PendulumInstruments公司是一家瑞典公司，总部位于瑞典首都斯德哥尔摩。
Pendulum公司源于Philips公司的时间、频率部门，在时间频率测量领域具有40多年的研发生产经历。
PendulumInstruments公司常规频率计型号主要有：
CNT-91、CNT-90、CNT-81、CNT-85。
同时，PendulumInstruments公司还推出铷钟时基频率计CNT-91R、CNT-85R。
以及微波频率计CNT-90XL（频率测量范围高达60G）。
Agilent科技公司是一家美国公司，总部位于美国的加利福尼亚。
Agilent科技公司成立于1939年，在电子测量领域也有着70多年的研发
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生产经历。
Agilent科技公司的常规频率计信号主要有：
53181A、53131A、53132A。
同时，Agilent科技公司还推出微波频率计：
53150A，53151A，53152A（频率测量范围最高可达46G）。
课题来源、目的和意义
随着科学技术的发展，高精度集成电路的应用，生产力得到了大幅度的发展，以大规模集成电路为主的各种设备成了当今社会最常用的设备。
频率计在电子工程，资源勘探发挥着巨大作用，有条不紊地工作着，高效率地支配着系统的运行，是工程技术人员必不可少的测量工具。
频率计最重要的功能是根据基准时钟信号实现对被测信号的频率进行检测。
由此而延伸的频率测量是电子测量领域里的一项重要内容[1]。
在传统的电子测量仪器中，示波器在进行频率测量时测量精度较低，误差较大。
频谱仪可以准确的测量频率并显示被测信号的频谱，但测量速度较慢，无法实时快速的跟踪捕捉到被测信号频率的变化。
正是由于频率计能够快速准确的捕捉到被测信号频率的变化，因此，频率计拥有非常广泛的应用范围。
在传统的生产制造企业中，频率计被广泛的应用在产线的生产测试中。
频率计能够快速的捕捉到晶体振荡器输出频率的变化，用户通过使用频率计能够迅速的发现有故障的晶振产品，确保产品质量。
在计量实验室中，频率计被用来对各种电子测量设备的本地振荡器进行校准。
在无线通讯测试中，频率计既可以被用来对无线通讯基站的主时钟进行校准，还可以被用来对无线电台的跳频信号和频率调制信号进行分析。
频率计又称为频率计数器，是一种专门对被测信号频率进行测量的电子测量仪器。
其最基本的工作原理为：
当被测信号在特定时间段内的周期个数为时，则被测信号的频率。
频率计主要由四个部分构成：
时基电路、输入电路、计数显示电路以及控制电路。
在一个测量周期过程中，被测周期信号在输入电路中经过放大、整形、微分操作之后形成特定周期的窄脉冲，送到主门的一个输入端。
主门的另外一个输入端为时基电路产生电路产生的闸门脉冲。
在闸门脉冲开启主门的期间，特定周期的窄脉冲才能通过主门，从而进入计数器进行计数，计数器的显示电路则用来显示被测信号的频率值，内部控制电路则用来完成各种测量功能之间的切换并实现测量设置[2]。
在工程测量中不少物理量的测量，如时间测量，速度测量，速度控制等，都涉及到频率测量。
频率信号抗干扰性强，易于传输，可以获得较高的测量精度，所以测量频率的方法的研究越来越受的重视。
随着科技发展，人们对频率测量的进度要求越来越高，在此基础上的等精度频率计具有相当重要的意义。
而常用的的直接测频方法在实用中有较大的局限性，
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其测量精度随着被测信号的频率改变，测量的精度也改变，而且对被测信号的计数要产生个数字误差，而等精度频率计不但具有较高的测频精度，不随所测信号的变化而变化，在整个测频区域能保持恒定的测频精度[3]。
1.2本文结构
本文主要内容如下：
第2章中，介绍等精度频率测量的理论基础和设计方案。
第3章中，FPGA设计。
EasyFPGA030开发板，Libero8.5集成开发环境介绍，频率计总体，计数器模块，除法器模块设计过程，并且给出它们的仿真结果。
第4章中，显示及信号的整形设计。
介绍了AT89C51单片机，LED数码管，74LS244等相关硬件介绍。
并且给出了动态显示的软硬件设计方案和信号整形设计方案。
第5章中，总体设计验证。
通过把设计下载到开发板上，并实际用于频率测量，从而发现设计的不足和错误之处并加以改正。
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第2章主要研究内容
2.1引言
本章主要介绍数字频率计的相关计数指标，传统的频率测量方法和等精度测量方法，并且对等精度测量方法进行误差分析，从而与传统频率测量方法对比，得到等精度测量方法的优势所在。
并且从总体上介绍了设计方案的流程。
2.2数字频率计主要技术指标[4]
（1）频率准确度
一般用相对误差来表示，即
（2-1）
式中，为量化误差（即个字误差），是数字仪器所特有的误差，当闸门时间选定后，越低，量化误差越大：
为闸门时间相对误差，主要有时基电路标准频率的准确度决定，。
（2）频率测量范围
在输入电压符合规定要求值时，能够正常进行测量的频率区间称为频率测量范围，频率测量范围主要有放大整形电路的频率响应决定的。
（3）数字显示位数
频率计的数字显示位数决定了频率计的分辨率。
位数越多，分辨率越高。
（4）测量时间
频率计完成一次测量所需要的时间，包括准备、计数、运算、锁存和复位时间。
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2.3常用直接测频的方法
（1）计数法：
这是指在一定的时间间隔内，对输人的周期信号脉冲计数为:
，则信号的频率为。
这种方法适合于高频测量，信号的频率越高，则相对误差越小。
（2）测周法：
这种方法是计量在被测信号一个周期内频率为的标准信号的脉冲数来测量频率，。
被测信号的周期越长（频率越低），则测得的标准信号的脉冲数越大，则相对误差越小。
但这两种方法分别适合高频和低频，在整个测量域内测量精度不同，因此要求等精度的话，要求在此基础上进行改进[5]。
2.4等精度频率测量算法
传统的测频方法有直接测频法和测周法，在一定的闸门时间内计数，门控信号和被测信号不同步，计数值会产生
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