等精度数字频率计

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1、等精度数字频率计测量方法：一、测频原理所谓“频率”，就是周期性信号在单位时间变化的次数。电子计数器是严格按照f＝N/T的定义进行测频，其对应的测频原理方框图和工作时间波形如图1所示。从图中可以看出测量过程：输入待测信号经过脉冲形成电路形成计数的窄脉冲，时基信号发生器产生计数闸门信号，待测信号通过闸门进入计数器计数，即可得到其频率。若闸门开启时间为T、待测信号频率为fx，在闸门时间Ｔ内计数器计数值为N，则待测频率为：fx=N/T     若假设闸门时间为1s，计数器的值为1000，则待测信号频率应为1000Hz或1.000kHz，此时，测频分辨力为1Hz。    

2、                       图1测频原理框图和时间波形二、方案设计2.1总体方案设计等频率计测频范围1Hz~100MHz，测频全域相对误差恒为百万分之一，故由此系统设计提供100MHz作为标准信号输入，被测信号从tclk端输入，由闸门控制模块进行自动调节测试频率的大小所需要的闸门时间，这样可以精确的测试到被测的频率，不会因闸门开启的时间快慢与被测频率信号变化快慢而影响被测频率信号导致误差过大，被测信号输入闸门控制模块后，在闸门控制模块开始工作时使encnt端口输出有效电平，encnt有效电平作用下使能标准计数模块（cnt模块）和被测计数模块（c

3、nt模块），计数模块开始计数，直到encnt重新回到无效电平，计数模块就将所计的数据送到下一级寄存模块，在总控制模块的作用下，将数据进行load（锁存），然后寄存器里的数据会自动将数据送到下一模块进行数据处理，最后送到数码管或者液晶显示屏（1602）进行被测信号的数据显示。2.2理论分析采用等精度测量法，其测量原理时序如图1所示从图1中可以得到闸门时间不是固定的值，而是被测信号的整周期的倍数，即与被测信号同步，因而，不存在对被测信号计数的±1误差，可得到：变形后可得：对上式进行微分，可得：由于dn=±1,因而可推出：从式（5）可以看出：测量误差与被测信号频率无关

4、，从而实现了被测频带的等精度测量；增大T或提高fs可以提高测量精度；标准频率误差为dfs/fs,因为晶体的稳定度很高，再加上FPGA核心芯片里集成有PLL锁相环可对频率进一步的稳定，标准频率的误差可以进行校准，校准后的标准误差便可以忽略。2.3系统设计方案论证1)频率测量方案方案一：采用周期法。需要有标准倍的频率，在待测信号的一个周期内，记录标准频率的周期数，这种方法的计数值会产生±1个脉冲误差，并且测试精度与计数器中的记录的数值有关，为了保证测试精度，测周期法仅适用于低频信号的测量。方案二：采用测频法。测频法就是在确定的闸门时间内，记录被测信号的脉冲个数。这种

5、方法的计数值也会产生±1个脉冲误差，并且测试精度与计数器中的记录的数值有关，不便于高频信号的测量。方案三：采用等精度频率测量法，其精确门限由被测信号和预置门共同控制，测量精度与被测信号的频率无关，只与基准信号的频率和稳压度有关，因此可以保证在整个测量频段内测量精度不变，因此选用第三种方案。2)显示部分设计方案方案一：采用八位共阴极LED数码管进行显示，利用单片机串行口的移位寄存器工作方式，外接MAX7219串行输入共阴极显示驱动器，每片可驱动8个LED数码管。方案二：采用点阵字符型LCD液晶显示，可以显示数字与阿拉伯字母等字符，随着半导体技术的发展，LCD的液晶

6、显示越来越广泛的应用于各种显示场合。比较这两种方案，数码管显示驱动简朴，但显示信息量少，功耗大；利用液晶显示可以工作在低电压、低功耗下，显示界面友好、内容丰富，综合考虑，选用LCD来实现显示功能。二系统实现2.1硬件设计2.1.1系统框图图2数字频率计的原理框图设计实现包括等精度频率计测频模块（FSINCLKKK）、运算模块，显示模块三大模块。下面分别介绍三个模块的结构和实现方法。等精度频率测频模块数据运算模块被测信号频率数据显示模块被测信号输入2.1.1等精度频率计测频模块为克服低频段测量的不正确问题，采用门控信号和被测信号对计数器的使能信号进行双重控制，大大

7、提高了准确度。当门控信号为1时，使能信号并不为1，只有被测信号的上升沿到来时，使能端才开始发送有效信号，计数器开始对两路信号同时计数。当门控信号变为0时，使能信号并不是立刻改变，而是当被测信号的下一个上升沿到来时才变为0，计数器停止计数。因此测量的误差最多为一个标准时钟周期。当采用100MHz的信号作为标准信号时，误差最大为0.01μs。如图3图3测频电路计数器停止的过程中，总控制模块（control模块）会根据返回的信号来处理对计数器（cnt模块）所计数得到数据进行下一步的处理，即进行数据的寄存处理，最后送到运算模块进行数据处理。2.1.2数据运算模块运算模块

8、是由乘法器和除法器组成的