一種寬量程數字頻率計的設計與仿真

邱鵬　張建德　霍瑛

摘要：為了快速準確獲得各種電子信號的頻率，設計了一種基于FPGA（Field Programmable Gate Array）的寬量程數字頻率計，該頻率計運用自頂向下的設計思想，采用將系統按功能劃分模塊的設計方法。以FPGA為開發平臺，通過VHDL語言編程來設計數字頻率計各個模塊，從而更大限度地滿足測量范圍、精度和速度的要求。最后，使用MAX+plusII軟件仿真數字頻率計測量結果，進一步證明了該數字頻率計的有效性和可行性。

關鍵詞：頻率；數字頻率計；FPGA；MAX+plus II；VHDL語言

1背景

在電子通訊系統中，頻率是最基本的參數之一，而測量頻率是電子測量技術中最常見的參量測量之一，不少物理量的測量都涉及或本身就可轉化為頻率的測量。基于單元電路或單片機設計的傳統頻率計無論是在測頻范圍、精度、操作以及功能上都不十分理想，雖然目前市場上有各種多功能，高精度、高頻率的數字頻率計，但價格都很昂貴。

2相關研究

頻率計的作用是測量被測信號的頻率，但是由于被測信號在不同場所所處的頻段不同，變化范圍不同，同時對測量的精度也有不同的要求，因此產生了不同的頻率測量方法。大多數傳統數字頻率計測量范圍小、精度低、速度慢。隨著單片機的出現和發展，一定程度上優化了數字頻率計的測量功能，但單片機本身存在工作頻率以及其他因素的影響，比較適用于低頻段測頻，而在高頻段利用測頻的方法，其精度往往會隨著被測頻率的上升而降低，因此設計一種能在整個測試范圍內維持恒定的測試精度及造價低廉的頻率計就顯得十分必要了，特別是在數字頻率計軟硬件結合設計中，需要考慮測量周期、頻率和占空比等性能因素。FPGA具有以下優點：其單片邏輯門數已達到上百萬門，實現的功能越來越強大；不需要設計人員承擔芯片投資風險和費用；用戶可以反復地編程、擦除、使用，或者在外圍電路不動的情況下用不同軟件就可以實現不同的功能等。

基于對以上各因素的考慮，在FPGA開發平臺上使用VHDL編程語言設計數字頻率計能夠有效擴大測量范圍、提高測量精度和加快測量速度。

3寬量程數字頻率計的設計方案

3.1設計思路

根據設計的要求，需要對數字頻率計的測量范圍進行劃分。首先，頻率計的測量范圍設定在0.01 Hz-18 MHz之間，整個量程被分成四段的目的是可以給頻率計提供測量精度保證，四段量程依次是：甚低頻段0.01-0.1 Hz，低頻段0.1-1 Hz，中頻段1-40 Hz，高頻段40 Hz-18 MHz。在高頻段使用直接記數法的同時提供八位整數，而在其他頻段都采用先測周期再求倒數的方法進行測量，測量結果保留三位有效數字，使用浮點數顯示。