基于FPGA的頻率測量儀設計

李鑫彪，王笑怡

（中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽110032）

基于FPGA的頻率測量儀設計

李鑫彪，王笑怡

（中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽110032）

隨著可編程器件的快速發展，FPGA已經廣泛應用在各個領域。由于其性能的穩定性和設計的靈活性，因此本設計也采用了FPGA為主控單元，實現了用于測量信號頻率的頻率測量儀。在保證精度的基礎上，用Verilog硬件描述語言制定了三個模塊，以實現系統的整體功能，并對系統實現的整體功能進行了仿真驗證。

現場可編程門陣列；頻率測量儀；高精度；高速度

1 引 言

頻率是各種信號源的一個重要物理量，是電子、通信等領域的一個重要研究對象，其大小和穩定性往往可以決定一個器件或者整個系統的性能。因此，用一種簡單有效且精度較高的方法來測量一個信號的頻率是檢測一個信號頻率能否達到要求的一項重要工作，對單獨某個器件或者整個系統性能的穩定性起到了有力的保障作用。

選用FPGA作為頻率測量儀的主控單元，是因為FPGA具有豐富的邏輯單元和IO口，系統可以方便地進行功能擴展，且其設計靈活方便，可以采用C／C＋＋或Verilog HDL／VHDL進行程序或元器件的編寫和修改。此外，采用FPGA設計可以使整個系統采用純硬件結構，大大提高了系統的時實性。

2 設計原理

頻率計的測量原理：給定一個閘門時間和一個已知頻率的標準信號，在給定的閘門時間T內，分別測量標準脈沖信號的個數Nx和要被測量信號的脈沖數Nb，則：被測信號的頻率為，其中fx為標準脈沖信號頻率。在忽略標準脈沖信號頻率fx的誤差情況下，可能產生的誤差為：δ＝｜f′b-fb｜／fbe×100%，其中fbe為被測信號頻率的真實值，δ＝｜ΔNx｜／Nx≤1／Nx＝1／T×fx。由上式可見，測量的精度與閘門時間和標準信號的頻率成反比，閘門時間越長，標準信號的頻率越高，則誤差就越小。

標準信號的頻率為100MHz時，閘門時間和系統測量精度之間的關系如下：

表1 閘門時間與精度的對應關系

可見，標頻在100MHz，閘門時間為0.01s時，測量精度就可達到10-6。而標準信號的頻率在FPGA中通過鎖相環技術很容易達到100MHz，因此整個系統的測量精度很容易就可以達到很高。

3 FPGA模塊及其整體設計

設計總體分為三個部分，分別為計數部分part1，寄存器部分buffer和數據選擇部分chose，總體結構如圖1所示。設計為雙頻率測量儀，可以同時測量兩路信號頻率，如果需要可以通過增加計數部分part1來增加測量信號的個數。

圖1 系統的整體結構

3.2 計數部分part1

pin_bp為標準頻率輸入端，pin_door為閘門信號控制端，pin_cp為被測頻率信號輸入端，pin_out1［23..0］為在閘門時間內標準頻率信號個數輸出端，pin_out2［15..0］為在閘門時間內被測頻率信號個數輸出端。為保證頻率測量儀的精度，取標準頻率信號個數輸出端為24位，被測頻率信號個數輸出端為16位，如果需要可以通過Verilog HDL／VHDL硬件描述語言方便的改變計數器位數，因此系統具有很高的靈活性，適用范圍比較大（見圖2）。

圖2 計數模塊

3.2 寄存器部分buffer

為保證數據讀取與處理的正確性，采用Verilog HDL語言編寫了一個寄存器，用于數據的正確讀取與處理，其中reset為復位鍵，當其為低電平時，輸出都為“0”（見圖3）。

3.3 數據選擇部分chose

為節省系統的IO口資源，使系統可以擴展更多功能，文章設計了一個數據選擇器用于選擇數據輸出。在sel＝0，rd＝0的前提下，通過改變不同的add值選擇不同的輸出值。當sel、rd其中有一個不為“0”時，輸出out為高阻“z”（見圖4）。

圖3 寄存器模塊

圖4 數據選擇模塊

4 仿真

為保證測量精度，減小±1誤差，閘門信號pin_ door如圖5所示。但實際閘門信號設計為兩步，第一步，當測頻信號為高電平時，為中間閘門信號pin_ clk0的開始點，如圖5中的中間閘門所示；第二步，當標準信號為高電平時，為最終閘門信號pin_clk1的開始點，最終閘門信號如圖5中的最終閘門所示，其系統仿真如圖6所示。

圖5 預置閘門與最終閘門的關系

圖6 預置閘門和實際閘門的驗證

圖6為驗證實驗圖，標頻信號pin_bp的頻率比較低，pin_clk0和pin_clk1的時間差較長。在實際應用中，為保證測量精度，標頻信號的頻率往往較大，所以實際中的pin_clk0和pin_clk1的時間差很小。由圖6可知仿真結果和我們預期的結果一樣，所以證明了設計閘門時間控制的正確性。

圖7為整個系統仿真的部分圖，由仿真結果可以證明系統整體設計的正確性。

圖7 系統整體功能的仿真

5 結束語

設計采用了Altera公司Cyclon II系列的FPGA芯片作為系統主控單元，通過Verilog HDL編寫了三個模塊組成整個硬件系統，其具有很高的靈活性，可以通過簡單地修改程序，來修改三個模塊，以實現不同場合的不同需要。其具有很高的精度，在保證系統標準頻率不變的基礎上，通過增加閘門時間來提高體統精度以保證不同場合對精度的不同要求。FPGA具有豐富的邏輯單元和IO口，因此，可以在本實驗的基礎上增加系統的功能和外接設備，從而可以更好的進行下一步的開發研究。

［1］王慧.基于FPGA的高速高精度頻率測量系統的實現［J］.傳感世界，2006（1）：27-29.

［2］張永安.基于CPLD的多功能等精度的數字頻率計的設計［D］.大連：大連理工大學，2004.

［3］周立功.SOPC嵌入式系統實驗教程［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2006.

Design of Frequency Measurement Instrument Based on FPGA

LIXin-biao，WANG Xiao-yi
（The 47th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Shenyang 110032，China）

With the rapid development of the programmable devices，FPGA has been widely used in various fields.As its stability of the performance and flexibility of the design，FPGA is also used as the main control unit in the system to design the frequencymeasurement instrument formeasuring the signal frequency.In order to guarantee the accuracy，Verilog hardware description language is used to develop threemodules to achieve the overall function of the system，and the simulation is conducted to the functionsmentioned above.

FPGA；Frequencymeasurement instrument；High precision；High speed

10.3969／j.issn.1002-2279.2014.05.002

TN492

：A

：1002-2279（2014）05-0005-03

李鑫彪（1989-），男，黑龍江省七臺河市人，碩士研究生，主研方向：嵌入式系統的設計及其應用。

2013-8-8