等精度频率测量技术

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1、数字系统设计实践设计报告实验名称等精度频率测量技术班级通信112学生姓名周焕强学号116040268指导教师应祥岳完成日期2013-05-08摘要频率计的主要功能是准确测量出待测频率的频率、周期、脉宽及占空比。在电子技术中，频率是最基本的参数之一，并且与许多电参量的测量方案、测量结果都有十分密切的关系，因此频率的测量就显得更为重要。频率测量一般有三种方式：一是直接测频法，即在一定闸门时间内测量被测信号的脉冲个数，该方案将随被测信号频率的下降而下降；二是周期测频法，即是通过测量被测信号一个周期时间计时信号的脉冲个数，然后换算得出被测信号的频率，但该方法在被测信号的周期较短时，其精度大

2、大下降；方法三是等精度测频，可以将误差降到很低。本实验将应用等精度测频技术，利用FPGA技术设计一个测频计，将测得频率用十进制显示在数码管上。关键词：频率、周期、十进制显示、等精度目录一、设计任务1二、设计要求1三、系统方案13.1分频器模块13.2同步电路模块13.3门控闸门计数模块13.4运算模块13.5进制转化模块13.6输出控制模块2四、系统理论分析与计算24.1理论分析24.2理论计算3五、电路与程序设计35.1电路的设计35.1.1频率计顶层图形设计35.1.2系统电路原理图45.2程序的设计55.2.1分频器模块的vhdl设计65.2.2同步电路模块的vhdl设计75

3、.2.3进制转化模块的设计75.2.4输出控制模块的VHDL设计9六、测试方案与测试结果106.1测试方案106.1.1软件测试106.1.2硬件测试106.2测试结果与分析116.2.1.测试结果116.2.2.测试分析与结论12一、设计任务设计一个简易等精度频率计。二、设计要求A、测量范围信号：方波幅度：TTL电平；频率：1Hz～1MHzB、测试误差≤0.1%（全量程）C、闸门时间：～1s，响应时间：～2s乘除运算：FPGA计算：时钟频率显示：十进制（七个数码管显示，小数部分和整数部分按键切换）三、系统方案3.1分频器模块由系统时钟CLK1作为时钟脉冲，仿照单片机的延时电路和计

4、数器，Tc=1/10000s，跳10K下控制输出翻转一下，从而产生脉宽为1s的门控信号。3.2同步电路模块利用一个D触发器产生同步的闸门脉冲信号3.3门控闸门计数模块利用计数器分别求出在1s的门控信号内被测信号fx与系统时钟fc所经过的个数Nx和Nc，等将数据存入寄存器后，再送到运算模块里。3.4运算模块Fx=Nx*fc/Nc，先将Nc*10K，然后放大1000倍，将小数部分升为整数部分，保证计算的精度。3.5进制转化模块用10个除法器对输出频率进行转码，f经过一个除法器之后，余数作为10进制数M的第一位，商输入第二个除法器，依次类推，总共用到10个除法器。123.6输出控制模块通

5、过一个使能端，控制输出整数还是小数，显示在数码管上。四、系统理论分析与计算4.1理论分析1.工作原理：采用频率准确的高频信号作为标准频率信号，保证测量的闸门时间为被测时间的整数倍，并在闸门时间内同时对标准信号脉冲和被测信号脉冲进行计数，实现整个频率测量范围内的测量精度相等，当标准信号频率很高，闸门时间也足够长时，就可实现高精度的频率测量。简单来说，即为：测量一定闸门时间内标准信号与被测信号的脉冲个数，分别记为Nc和Nx,则被测信号频率为：Fx=Nx*fc/Nc。2.波形图124.2理论计算1、被测频率：2、测量误差：考虑最大误差为1，则由实验要求测试误差≤0.1%（全量程）则可知≥

6、=1000，由于阈值闸门时间为1s，所以时钟发生器频率fo≥1000Hz，为使测量误差尽量小实验中取fo=10KHz，实验中待测信号和时钟信号分别采用实验箱中CLK1时钟。五、电路与程序设计5.1电路的设计5.1.1等精度频率计顶层图形设计125.1.2系统电路原理图(1)输入模块(2)同步计数模块（3）运算模块（4）进制转化输出模块12（5）总电路图5.2程序的设计125.2.1分频器模块的vhdl设计libraryieee;useieee.std_logic_1164.all;entityzhamenisport(clr,cp:instd_logic;p:outstd_logi

7、c);endzhamen;architectureaofzhamenissignalcount:integerrange0to10000;signaltemp:std_logic;beginprocess(clr,cp)beginifclr='1'thencount<=0;temp<='0';elsifcp'eventandcp='1'thenifcount<10000thencount<=count+1;elsecount<=0;temp<=nottemp;endi