基于MicroBlaze軟核的等精度頻率計設計

韓瑞，張瑩瑩，楊文，陳華寶

（淮陰師范學院 物理與電子電氣工程學院，江蘇淮安，223001）

0 引言

頻率計是一種專門對被測信號頻率進行測量的電子測量儀器，能夠快速準確地捕捉到被測信號頻率的變化。在電子技術中，頻率與許多電參量的測量方案、測量結果都有十分密切的關系，因此，頻率計在科學研究、精密測量和工業控制等方面都有著較廣泛的應用。針對傳統的頻率計存在結構復雜、穩定性差、精度不高且成本較高等缺陷，本文基于MicroBlaze軟核設計的等精度頻率計，可實現對被測信號頻率、周期、脈沖寬度和占空比的測量及顯示。

1 等精度頻率測量原理

等精度頻率計測頻原理如圖1所示。當控制器發出預置閘門控制信號CL，并且被測信號上升沿到來時D觸發器有輸出，使能兩個計數器BZH、TF，分別對標準信號和被測信號進行計數；當控制器關閉預置閘門控制信號CL，并且被測信號上升沿到來時D觸發器輸出為零，兩個計數器同時停止計數。其時序如圖2所示，由于采用D觸發器實現預置閘門的同步作用，TF計數器所記錄的NX值已不存在誤差的影響，而時鐘信號與閘門的開和關無確定的相位關系，BZH計數器所記錄的NS的值仍存在±1誤差的影響，但由于時鐘頻率很高，對誤差影響很小，所以在全頻段的測量精度是均衡的，從而實現等精度頻率測量。顯然在實際的閘門時間內有：

由于t為Nx周期的整數倍，因而Nx的正負誤差為0，即DNx=0，又 DNs=±1，Dfs=0，則 ：

圖1 等精度測頻原理圖

圖2 等精度測頻時序圖

由上式可看出測量頻率的相對誤差與被測信號的頻率的大小無關，僅與閘門時間和標準信號頻率有關。閘門時間越長，標準頻率越高測頻的相對誤差就越小。標準頻率可由穩定性好，精度高的高頻率晶振產生，在保證測量精度不變的前提下，提高標準信號頻率，可使閘門時間縮短，即提高測試速度。

2 系統設計方案

系統主要由放大整形電路、片上等精度測頻模塊以及顯示模塊等部分組成，其整體框架如圖3所示。被測信號經過放大整形電路處理后，輸出原頻信號和64分頻信號到選擇門，當被測信號頻率大于30MHz，自動切換到64分頻輸入。測頻模塊通過其MicroBlaze嵌入式軟核和Verilog HDL設計的外圍功能模塊完成測量控制與數據處理，最后采用LCD12864，將所測信號的頻率、周期進行實時顯示。

圖3 系統結構方框圖

3 系統硬件設計

3.1 前置調理電路設計

由于被測高頻小信號不能由數字系統直接進行處理，故要對被測信號進行前置放大調理，其電路組成如圖4所示。首先通過場效管2N5485隔離放大，再通過高頻運放MC10116進行整形放大，整形后的信號分為兩路輸出。

圖4 前置調理電路組成框圖

3.2 片上等精度測頻模塊設計

測頻模塊主要由選擇門、預置閥門、與門、被測信號和標準信號計數器以及Microblaze軟核等組成，其結構如圖3所示。選擇門由Microblaze軟核控制將被測信號送給與門，當其輸出端有信號時，使能兩個計數器分別對標準信號和被測信號進行計數，從而得到Microblaze軟核測算頻率所需的數據。

3.3 顯示模塊設計

等精度頻率測量模塊測得的頻率數據通過MicroBlaze軟核進行處理顯示，顯示模塊采用LCD12864液晶顯示。

4 系統軟件設計

4.1 測頻程序設計

圖5為測頻程序設計流程圖。在VIVADO軟件開發環境下，利用Verilog語言，依據等精度頻率測量的原理，由MicroBlaze軟核發出計數指令，計數器在規定的時間內完成計數，并把計數值進行返還，MicroBlaze軟核讀入計數值并對其進行處理。

圖5 測頻程序流程圖

圖6 主控程序流程圖

4.2 主控程序設計

圖6 為主控程序設計流程圖。系統將VIVADO中硬件描述語言綜合編譯生成的bit文件導入到集成開發環境SDK(Software Development Kit)中，進行C語言編程實現頻率計的邏輯功能。閘門時間由定時器控制，其默認時間為1s。當定時器產生中斷，控制器關斷閘門預置信號CL，計數器停止計數，如果閘門監測信號EEND為零，讀取計數器計數值，對數據處理送LCD12864顯示，然后開啟預置信號CL、使能異步復位信號CLR對計數器清零進入下一次循環。

5 結束語

隨著電子技術的不斷發展，現場可編程門陣列被廣泛用于硬件系統中的邏輯控制與通信中，芯片生產家推出越來越多可靠并且功能強大的IP核，尤其是軟件處理核，凸顯了FPGA作為主控芯片的優勢，從而使得FPGA在越來越多的電子產品中被使用。本文在FPGA芯片上基于MicroBlaze軟核設計的等精度頻率計不僅大大減小了頻率計硬件電路的尺寸，而且提高了整體電路的穩定性、可靠性。

參考文獻

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