（电路与系统专业论文）基于fpga的全同步数字频率计的设计.pdf

硕士学伊论文 摘要 频率是电子技术领域内的一个基本参数，同时也是一个非常重要的参数。 稳定的时钟在高性能电子系统中有着举足轻重的作用，直接决定系统性能的优 劣。随着电子技术的发展，测频系统使用时钟的提高潮9 频技术有了相当大的发 展，但不管是何种测频方法，1 个计数误差始终是限制测频精度进一步提高的 一个重要因素。 本设计阐述了各种数字测频方法的优缺点。通过分析1 个计数误差的来源 得出了一种新的测频方法：检测彼测信号，时基信号的相位，当相位同步时开始 计数，相位再次同步时停止计数，通过相位同步来消除计数误差，然后再通过运 算得到实际频率的大小。根据m t 法的测频原理，已经出现了等精度的测频方法， 但是还存在l 的计数误差。因此，本文根据等精度测频原理中闸门时间只与被 测信号同步，而不与标准信号同步的缺点，通过分析已有等精度测频方法所存在 1 个计数误差的来源，采用了全同步的测频原理在f p g a 器件上实现了全同步数 字频率计。根据全同步数字频率计的测频原理方框图，采用v h d l 语言，成功的 编写出了设计程序，并在m a x + p l u si i 软件环境中，对编写的v h d l 程序进行 了仿真，得到了很好的效果。最后，又讨论了全同步频率计的硬件设计并给出了 电路原理图和p c b 图。对构成全同步数字频率计的每一个模块，给出了较详细的 设计方法和完整的程序设计以及仿真结果。 关键词：e d a 、f p g a 、全同步、数字频率计、v h d l 语言、m a x + p l u sl i 基于f p g a 的全同步数字频率计的设计 a b a s tr a c t f r e q u e n c yi s ab a s i cp a r a m e t e ro fe l e c t r o n i c sf i e l d ，m e a n w h i l e ，i t sav e r y i m p o r t a n tp a r a m e t e r s t a b l ec l o c ki sv e r yi m p o r t a n ti nh i g hp e r f o r m a n c ee l e c t r o n i c s s y s t e m ，d e t e r m i n i n g t h es y e t e m p e r f o r m a n c ed i r e c t l y w i t h t h ed e v e l o p m e n to f t e c h n o l o g yo fe l e c t r o n i c s ，t h ef r e q u e n c ym e a s u r e m e n ts y s t e mu s i n gh i g h e rc l o c k ，t h e f r e q u e n c ym e a s u r e m e n tt e c h n o l o g yh a sv e r yn i c ed e v e l o p m e n ti nd e s p i t eo fu s i n ga l l o t h e ra d v a n c e df r e q u e n c ym e a s u r e m e n tm e t h o d s ，t h ep o s i t i v ea n dn e g a t i v e1e r r o r s w a sav e r yi m p o r t a n tf a c t o rt h a ts t o pf r e q u e n c ym e a s u r e m e n tp r e c i s i o ni m p r o v i n ga l l t h r o u g h t h ed e s i g ne x p o u n dt h ea d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g eo fm o s td i g i t a lf r e q u e n c y m e a s u r e m e n tm e t h o d st h r o u g ha n a l y z i n gt h eo r i g i no ft h ep o s i t i v ea n dn e g a t i v ei e l t o r s ，g o tan e wf r e q u e n c ym e a s u r e m e n tm e t h o d s ：c h e c k i n gt h e m e a s u r e da n d s t a n d a r ds i g n a l s p h a s e ，i ft h ep h a s ei ss y n c h r o n o u s , t h e nt h ec o u n t e r s s t a r t c o u n t i n g ，w h e nt h es i g n a l sp h a s ei ss y n c h r o n o u sa g a i n ，t h ec o u n t e rs t o p p i n gw o r k i n g ， b yp h a s ei n - p h a s et oe l i m i n a t ec o u n t i n ge r r o r s ，t h e ng e t t i n gt h er e a lf r e q u e n c yt h r o u g h c a l c u l a t i n g b yt h i sw a y sg u i d e ，t h ed e s i g no fc o m p l e t ed i g i t a lc y m o m e t e rw a s s u c c e s s f u l l yc o m p l e t e dw i t hu s i n gv h d l ( v e r yh i g hs p e e di n t e g r a t e dc i r c u i th a r d d e s i g nl a n g u a g e ) h a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g ea n ds i m u l a t e di tr i g h t a c c o r d i n gt o a l lo f s y n c h r o n o u sd i g i t a lb l o c kd i a g r a mo f t h ef r e q u e n c ym e a s u r e m e n tu s i n gv h d l ， t h es u c c e s s f u lp r e p a r a t i o no ft h ed e s i g np r o c e s s ，a n di nm a x + p l u si is o f t w a r e e n v i r o n m e n t ，t h ep r e p a r a t i o no fp r o c e d u r e sf o rv h d ls i m u l a t i o n ，o b t a i n e dv e r yg o o d r e s u l t s l a s t l y , t h ef r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o no ft h ew h o l ed i s c u s s i o no ft h eh a r d w a r e d e s i g na n dg i v e st h ec i r c u i ts c h e m a t i c sa n dp c bp l a n s a l lo fas y n c h r o n o u sd i g i t a l f r e q u e n c yo fe a c hm o d u l e , i sam o r ed e t a i l e dd e s i g na n di n t e g r i t yo ft h ep r o c e s s d e s i g na n ds i m u l a t i o nr e s u l t s k e y w o r d ：e d a 、f p g a 、c o m p l e t ei n - p h a s e 、d i g i t a lc y m o m e t e r 、v h d l 、m a x p l u si i 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得 的研究成果。除了文c 扣特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体己经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承 担。 作者签名：宅砀剐日期：_ 尹年1 月上7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 日期：弘刁年 日期：肼 1 1 月q 日 f ( 月1 ，予日 硕i 一学位论史 1 1 课题背景 第一章绪论 随着数字电路应用越来越广泛，传统的通用数字集成电路芯片已经很难满足系 统功能的要求，而且随着系统复杂程度的不断增加，所需通用集成电路的数量呈爆 炸性增长，使得电路板的体积迅速膨胀，系统可靠性难以保证。此外，现代电子产 品的生命周期都很短，一个电路可能要在很短的时间内作改进以满足新的功能要 求，对于通用集成电路来说则意味着重新设计和重新布线。而可编程逻辑器件克服 了上述缺点，它把通用集成电路通过编程集成到一块尺寸很小的硅片上，成倍缩小 了电路的体积，同时由于走线短，减少了干扰，提高了系统的可靠性，又由于v h d l 语言和v e r i l o g 语占易于掌握与使用，设计相当灵活，极大地缩短了产品的丌发周 期。本设计在f p g a 技术越来越成熟，应用越来越广泛的情况下，使用成熟的f p g a 技术来实现目自管还不是很成熟的全同步数字频率计。此设计具有重要的研究价值。 1 2 频率计概述 频率是电子技术领域永恒的话题，电子技术领域离不丌频率，一旦离开频率电 子技术的发展是不可想象的，就像现在的人离不开电一样。为了得到性能更好的电 子系统，科研人员在不断地研究着频率，c p u 就是用频率的高低来评价其性能好坏， 速度的高低，可见频率在电子系统中是多么重要。如何j 。能知道频率的数值呢? 当 然是用频率计来测量。为了准确的测出频率的多少，人们研究出了很多测频率的方 法。根据测频工作原理可将频率测量方法分成以下几类： 一、是利用电路的某种频率响应特性束测量频率，谐振测频法和电桥测频法是 这类测量方法的典型代表：前者常用于低频段的测量，后者主要用于高频或微波频 段的测量。谐振法的优点是体积小、重要轻、不要求电源等，目d 口仍获得广泛应用。 二、是利用标准频率与被测频率进行比较来测量频率，采用比较法测量频率， 其准确度取决于标准频率的准确度。拍频法、示波器法以及差频法等均属此类方法。 拍频法和示波器法主要用于低频段的测量，差频法则用于高频段的频率测量，它的 显著优点是测试灵敏度高。 以上两种方法适合于模拟电路中实现，但是模拟电路没有数字电路稳定，因此 数字电路出现后，马上就出现了数字频率计。目前广泛使用的计数测频法则适合于 数字电路实现。该方法是根据频率的定义，记下单位时问内周期信号的重复次数， 基于f p g a 的哞：旧步数频率计的i 5 1 计 因此又称为电子计数器测频法。 常用数字频率测量方法有m 法，t 法和m t 法。m 法是在给定的闸门时间内， 测量被测信号的脉冲个数再进行换算得出被测信号的频率，其测量精度取决于 闸门时问的准确度和被测信号频率。当被测信号频率较低时将产生较大误差，除 非闸门时日j 取得很大。t 法是通过测量被测信号的周期，然后换算得出被测信号 韵频率。其测量精度取决于被测信号的周期和计时精度，测信号频率较高时，对 计时精度的要求就很高。m t 法具有以上2 种方法的优点，当他通过测量被测 信号数个周期的计数次数，然后换算得出被测信号的频率，可兼顾低频与高频 信号，提高了测量精度。但是，m 法，t 法和m t 法都存在i 计数误差问题。 m 法在规定闸门时问内存在1 个被测信号的脉冲计数误差，t 法或m t 法也存 在1 个字的计时误差。这个问题成为限制测量精度提高的一个重要原因。本设 计在研究总结上述方法的基础上，得出了一种新的频率测量方法，该方法利用 相位全同步方法消除限制测量精度提高的1 个数字误差问题，从而使频率测 量的精度和性能大为改善“1 。 然而一种新的方法的实际应用比提出来更难，要考虑各种可能的问题，首先 就是由于采用的新的设计方法使得电路的复杂程度成倍增加，因此如果还采用传 统数字电路来实现则将使p c b 板面积变得异常庞大与复杂。信号走线长，导致系 统误差增大，难以提高系统的工作频率，此外，p c b 板的集成度不高还将导致高 频信号容易受到外界的干扰，反而可能降低测频精度。由于可编程逻辑器件能很 好地克服了以上缺点，大大提高系统时钟，因此本设计将介绍由现场可编程逻辑 器件( f p g a ) 来实现全同步数字频率计，本设计除了相位检测电路不在可编程电 路之中，其余的电路都集成在可编程逻辑器件中。 本设计消除了l 误差，但由于相位检测电路不可避免有误差，系统误差不 可避免，因此，全同步数字频率计的主要问题是如何减小相位检测电路的误差以 及提高标准时基晶振的稳定性。本设计使用著名的a l t e r a 公司的软件平台 姒x + p l u si i 并采用v h d l 语言束设计实现。 1 3 频率计发展现状 由于社会发展和科技发展的需要，信息传输和处理的要求的提高，对频率的测 量精度也提出了更高的要求，需要更高准确度的时频基准和更精密的测量技术。而 频率测量所能达到的精度，主要取决于作为标准频率源的精度以及所使用的测量设 备和测量方法。目i j ，国内外使用的测频的方法有很多，有直接测频法、内插法、 游标法、时间一电压变化法、多周期同步法、频率倍增法、频差倍增法以及相位比 2 顾i 学位论文 较法等等。直接测频的方法较简单，但精度不高。内插法和游标法都是采用模拟的 方法，虽然精度提高了，但是电路设计却很复杂；时自j 一电压变化法是利用电容的 充放电时b j 进行测量，由于经过a d 转换，速度较慢，且抗干扰能力较弱。多周期 同步法精度较高的一种。为了进一步的提高精度，通常采用模拟内插法或游标法与 多周期同步法结合使用，虽然精度有了进一步的提高，但始终未解决1 个字的计 数误差，而且这些方法设备复杂，不利于推广。频率误差倍增法可以减小计数器 的1 个字的误差，提高测量精度。但用这种方法来提高测量精度是有限的，因 为如要得到2 1 0 1 3 的测量精度，就要把被测频率f i 倍频到m f 。= 1 2 1 0 “h z = 5 0 0 0 m h z ，这无论是对倍频技术，还是对目i j 的计数器都是很难实现的。频 差倍增一多周期法是一种频差倍增法和差拍法相结合的测量方法。这种方法是将 被测信号和参考信号经经频差倍增使被测信号的相位起伏扩大，在通过混频器获 得差拍信号，用电子计数器在低频下进行多周期测量，能在较少的倍增次数和同 样的取样时日j 情况下，得到比测频法更高的系统分辨率和测量精度。但是仍然存 在着时标不稳而引入的误差和一定的触发误差。以上只是对现存的几种主要的测 频方法的概述，很显然从以上的分析中知道：不同的测频方法在不同的应用条 件下是具有一定的优势的，而在本论文中，我主要在多周期同步法的基础上，采 用了全同步的测频方法。主要是消除了1 个字的对时标信号的计数误差，而且 在f p g a c p l d 芯片上实现，具有很大的优势。 总之，频率( 时间) 测量技术发展非常快。在频标方面，一方面是追求新的更 高稳定度和准确度的新型频标，据报道，实验室中做出频率准确度优于l o - “的频标。 一方面是提供便于工业、科研应用的商品化频标，如小铯钟、铷频标、新型高稳定 度晶体振荡器等这些工作多在计量研究与工业部门进行。大量的工作在改进、创造 新的测频原理、方法和仪器，以便以更高的精度、速度，自动进行测量和数掘处理， 并向多功能、小型化、高性价比方向发展。在提高测频精度方面，值得特别提出的 有全同步取样技术和可校准通用电子计数器技术，它们使测频精度提高到一个新的 水平嘲。 1 4 f p g a 概述 f p g a 是英文f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y 的缩写，即现场可编程门阵列， 它是在p a l 、g a l 、e p l d 等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用 集成电路( a s i c ) 领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足， 又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。 f p g a 采用了逻辑单元阵列l c a ( l o g i cc e l la r r a y ) 这样一个新概念，内部 包括可配置逻辑模块c l b ( c o n f i g u r a b l el o g i cb l o c k ) 、输出输入模块i o b ( i n p u t 3 幕于f p g a 的伞m 步数字频牢计的设计 o u t p u tb l o c k ) 和内部连线( i n t e r c o n n e c t ) 三个部分。f p g a 的基本特点主要有： 1 ) 采用f p g a 设计a s i c 电路，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片。 2 ) f p g a 可做其它全定制或半定$ 0 a s i c 电路的中试样片。 3 ) f p g a 内部有丰富的触发器和i o 引脚。 4 ) f p g a 是a s i c 电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。 5 ) f p g a 采用高速c h m o s 工艺，功耗低，可以与c m o s 、t t l 电平兼容。 可以说，f p g a 芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。 目前f p g a 的品种很多，有x i l i n x 的x c 系列、t i 公司的t p c 系列、a l t e r a 公司 的f l e x 系列等。 f p g a 是由存放在片内r a m 中的程序来设置其工作状态的，因此，工作时需要 对片内的r a m 进行编程。用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。 加电时，f p g a 芯片将e p r o m 中数据读入片内编程r a m 中，配置完成后，f p g a 进入工作状念。掉电后，f p g a 恢复成白片，内部逻辑关系消失，因此，f p g a 能够 反复使用。f p g a 的编程无须专用的f p g a 编程器，只须用通用的e p r o m 、p r o m 编程 器即可。当需要修改f p g a 功能时，只需换一片e p r o m u 口可。这样，同一片f p g a ， 不同的编程数据，可以产生不同的电路功能。因此，f p g a 的使用非常灵活。 f p g a 有多种配置模式：并行主模式为一片f p g a 加一片e p r o m 的方式；主从模 式可以支持一片p r o m 编程多片f p g a ；串行模式可以采用串行p r o m 编程f p g a ；外设 模式可以将f p g a 作为微处理器的外设，由微处理器对其编程。 f p g a 芯片是特殊的a s i c 芯片，除了具有a s i c 的特点之外，还具有以下几个优 点嘲： 1 ) 随着超大规模集成电路( v e r yl a r g es c a l ei c ，v l s i ) 工艺的不断提高， 单一芯片内部可以容纳上百力个晶体管，f p g a 芯片的规模也越来越大，其单片逻 辑门数已达到上百万门，所实现的功能越来越强，同时还可以实现系统集成。 2 ) f p g a 芯片在出厂之i ；i 1 0 0 都做过测试，不需要设计人员承担投资风险和 费用，设计人员只需在自己的实验室罩就可以通过相关的软硬件环境来完成芯片 的最终功能设计。所以，f p g a 的资会投入少，节省了许多潜在的花费。 3 ) 用户可以反复的编程、擦除、使用，或者在外围电路不动的情况下，用 不同的实现软件就可以实现不同的功能。因此，用f p g a 试制样本，能以最快的速 度占领市场。f p g a 软件包中有各种输入工具、仿真工具、版图设计工具及编程器 等全线产品，使电路设计人员在很短的时间内就可以完成电路的输入、编译、优 化、仿真，直至最后芯片的制作。当电路有少量的改动时，更能显示出f p g a 的优 势。电路设计人员使用f p g a 进行电路设计是时，不需要具备专门的i c 深层次的知 识，f p g a 软件易学易用，可以使设计人员集中精力进行电路设计，快速将产品推 4 向市场“卜_ ”1 。 1 5f p g a 原理及结构 1 5 1 查找表( l o o k - u p - t a b i e ) 的原理与结构 采用查找表结构的p l d 芯片我们也可以称之为f p g a ：如a l t e r a 的a c e x ，a p e x 系列，x i l i n x 的s p a r t a n ，v i r t e x 系列等。查找表( l o o k u p - t a b l e ) 简称为l u t ， l u t 本质上就是一个r a m 。目前f p g a 中多使用4 输入的l u t ，所以每一个l u t 可以看成一个有4 位地址线的1 6 x l 的r a m 。当用户通过原理图或h d l 语言描述 了一个逻辑电路以后，p l d f p 6 a 丌发软件会自动计算逻辑电路的所有可能的结 果，并把结果事先写入r a m ，这样，每输入一个信号进行逻辑运算就等于输入一 个地址进行查表，找出地址对应的内容，然后输出即可。表1 1 是一个4 输裁尚 门的例子，说明了l u t 的工作原理 表1 1f p g a 中4 输入的l u t 的1 作原理 实际逻辑电路l u t 的实现方式 ! 墓当 ! 地址戏l l输出。 ：i 1 h 1 圳 4 l 血盯) a ，b ，c ，d 输入逻辑输出地址r a m 叶1 存储的内存 0 0 0 000 0 0 0o 0 0 0 100 0 0 l0 i o0 1 1 1 11l j l l1 1 5 2 基于查找表( l o t ) 的f p g a 的结构 a l t e r a 的f l e x a c e x 等芯片的结构如图1 1 所示： 燕十f p g a 的全同步数字频率计的设计 图1 1a l t e r af l e x a c e x 芯片的内部结构图 | 生i1 2 逻辑单元( l e ) 内部结构图 w w w f p e t o mc n f l e x a c e x 的结构主要包括l a b ，i 0 块，r a m 块( 未表示出) 和可编程行 q 连线。在f l e x a c e x 中，一个l a b 包括8 个逻辑单元( l e ) ，每个l e 包括个 ，u t ，一个触发器和相关的相关逻辑。l e 是f l e x a c e x 芯片实现逻辑的最基本结 句。 6 硕l 学位论史 1 5 3 查找表结构的f p g a 逻辑实现原理 以图1 3 这个电路的为例： 日 c d c l k 图1 3 简单逻辑电路幽 a ，b ，c ，d 由f p g a 芯片的管脚输入后进入可编程连线，然后作为地址线连到 到l u t ，l u t 中已经事先写入了所有可能的逻辑结果，通过地址查找到相应的数 据然后输出，这样组合逻辑就实现了。该电路中d 触发器是直接利用l u t 后面 d 触发器束实现。时钟信号c l k 由i o 脚输入后进入芯片内部的时钟专用通道， 直接连接到触发器的时钟端。触发器的输出与i o 脚相连，把结果输出到芯片管 脚。这样p l d 就完成了图3 所示电路的功能。这个电路是一个很简单的例子，只 需要一个l u t 加上一个触发器就可以完成。对于一个l u t 无法完成的的电路，就 需要通过进位逻辑将多个单元相连，这样f p g a 就可以实现复杂的逻辑。由于l u t 主要适合s r a m 工艺生产，所以目前大部分f p g a 都是基于s r a m 工艺的，而s r a m 工艺的芯片在掉电后信息就会丢失，一定需要外加一片专用配置芯片，在上电的 时候，由这个专用配置芯片把数据加载到f p g a 中，然后f p g a 就可以j 下常工作， 由于配置时h j 很短，不会影响系统正常工作。也有少数f p g a 采用反熔丝或f l a s h 工艺，对这种f p g a ，就不需要夕l q j n 专用的配置芯片。 ， 1 5 4 其他类型的f p g a 和p l d 随着技术的发展，在2 0 0 4 年以后，一些厂家推出了一些新的p l d 和f p g a ， 这些产品模糊了p l d 和f p g a 的区别。例如a l t e r a 最新的m a x i i 系列p l d ，这是 一种基于f p g a ( l u t ) 结构，集成配置芯片的p l d ，在本质上它就是一种在内部 集成了配置芯片的f p g a ，但由于配置时i 日j 极短，上电就可以工作，所以对用户 来说，感觉不到配置过程，可以传统的p l d 一样使用，加上容量和传统p l d 类似， 所以a l t e r a 把它归作p l d 。还有像l a t t i c e 的x p 系列f p g a ，也是使用了同样 的原理，将外部配置芯片集成到内部，在使用方法上和p l d 类似，但是因为容量 大，性能和传统f p g a 相同，也是l u t 架构，所以l a t t i c e 仍把它归为f p g a 。 1 6v h d l 简介 v h d l 的英文全名是v e r y h i g h s p e e di n t e g r a t e dc i r c u i th a r d w a r e d e s c r i p t i o nl a n g u a g e ，诞生于1 9 8 2 年。1 9 8 7 年底，v h d l 被i e e e 和美国国防部确 基于f p g a 的会同步数一频牢计的设计 认为标准硬件描述语言。自i e e e 公布了v h d l 的标准版本，i e e e - 1 0 7 6 ( 简称8 7 版) 之后，各e d a 公司相继推出了自己的v h d l 设计环境，或宣布自己的设计工具可 以和v h d l 接口。此后v h d l 在电子设计领域得到了广泛的接受，并逐步取代了原有 的非标准的硬件描述语言。1 9 9 3 年，i e e e 对v h d l 进行了修订，从更高的抽象层次 和系统描述能力上扩展v h d l 的内容，公布了新版本的v h d l ，即i e e e 标准的 1 0 7 6 1 9 9 3 版本，( 简称9 3 版) 。现在，v h d l 和v e r i l o g 作为i e e e 的工业标准硬件描 述语言，又得到众多e d a 公司的支持，在电子工程领域，已成为事实上的通用硬 件描述语言。有专家认为，在新的世纪中，v h d l 与v e r i l o g 语占将承担起大部分 的数字系统设计任务。 v h d l 主要用于描述数字系统的结构，行为，功能和接口。除了含有许多具有 硬件特征的语句外，v h d l 的语言形式和描述风格与句法是十分类似于一般的计算 机高级语言。v h d l 的程序结构特点是将一项工程设计，或称设计实体( 可以是一 个元件，一个电路模块或一个系统) 分成外部( 或称可视部分及端口) 和内部( 或 称不可视部分) 。在对一个设计实体定义了外部界面后，一旦其内部丌发完成后， 其他的设计就可以直接调用这个实体。这种将设计实体分成内外部分的概念是 v h d l 系统设计的基本点。应用v h d l 进行工程设计的优点是多方面的。 ( 1 ) 与其他的硬件描述语占相比，v t t d l 具有更强的行为描述能力，从而决定 了他成为系统设计领域最佳的硬件拙述语占。强大的行为描述能力是避丌具体的 器件结构，从逻辑行为上描述和设计大规模电子系统的重要保证。 ( 2 ) v h d l 丰富的仿真语句和库函数，使得在任何大系统的设计早期就能查验 设计系统的功能可行性，随时可对设计进行仿真模拟。 ( 3 ) v h d l 语句的行为描述能力和程序结构决定了他具有支持大规模设计的分 解和已有设计的蒋利用功能。符合市场需求的大规模系统高效，高速的完成必须 有多人甚至多个代发组共同并行工作才能实现。 ( 4 ) 对于用v h d l 完成的一个确定的设计，可以利用e d a i 具进行逻辑综合和优 化，并自动的把v h d l 描述设计转变成门级网表。 ( 5 ) v h d l 对设计的描述具有相对独立性，设计者可以不懂硬件的结构，也不 必管理最终设计实现的目标器件是什么，而进行独立的设计。 硕i 学位论文 第二章全同步频率测量方法的研究 2 1 常用的数字频率测量方法 用于频率测量的方法有很多，频率测量的准确度主要取决于所测量的频率范 围以及被测对象的特点。而测量所能达到的精度，不仅仅取决于作为标准使用的 频率源的精度，也取决于所使用的测量设备和测量方法。因此，下面介绍集中常 用的频率测量方法，分析他们的优缺点，从而提出全同步频率测量方法。 2 1 1 直接测频法 直接测频法是最简单的，也是最基本的频率测量方法，在测量过程中，依据 信号频率高低的不同，测量方法也可以分为两种： 一、被测信号频率较高时( m 法) l 通常选用一个频率较低的标准频率信号作为闸门信号，而将被测信号作为充 脉冲，在固定闸门时间内对其计数。设闸门宽度为t ，计数值为n ，则这种测量 方法的频率测量值为： 一 六= 等 ( 2 1 ) 测量误差主要决定于闸门时间t 和计数和计数器计得的数的准确度，因此， 总误差可以采用分项误差绝对值线性相加来表示，即： 等= b 剀 六 i 矾蚓j ( 2 2 ) 其中，去是最大量化误差的相对值，等= 等= 麦，等的产生是由 于测频时，闸门的刀：启时刻与计数脉冲之日j 的时问关系不相关造成的，即在相同 的主门丌启时间内，计数器所得的数并不一定相同。当主门丌启时问t 接近甚至 等于被测信号周期t ，的整数倍时，量化误差最大，最大量化误差为= 1 个数。 ：掣为标准频率的准确度，在数值上石英晶体振荡器所提供的标准频率的准确 l _ ，o l 度等于闸门时问的相对误差的准确度，即： 一a t 盟 ( 2 3 ) ， 厶 式中负号表示由觚引起的闸门时间的误差为一7 。 9 基于f p g a 的拿问步数宁频率计的设计 通常，对标准频率的准确度锊的要求是根据所要求的测频准确度而提出 来的。因此，为了使标准频率误差不对测量结果产生影响，标准频率的准确度应 高于被测信号准确度至少1 个数量级。因此，测量较高的信号频率时，若f o 一定， 闸门时间t 越长，测量准确度越高，当t 选定后，f o 越高，1 个数字误差对测 量结果影响减小，测量准确度越高。 二、被测信号频率较低时( t 法) 通常被测信号被选作闸门信号，而将频率较高的标频信号作为填充脉冲，进 行计数，设计数值为n ，标准频率信号的频率为f o ，周期为t o ，则有： 伽志 4 使用这种方法测频的误差主要是对标频信号计数产生的1 个数字误差，在忽略 标准频率信号自身误差的情况下，测量精度为： 甑= 等 ( 2 5 ) 由上可知：直接测频方法的优点是：测量方便，读数直接，在比较宽的频率 范围内能够获得较高的测量精度。它的缺点是：由于被测信号1 个数字误差的 存在，难以兼顾低频和高频实现等精度测量，所以测量精度较低。 2 1 2 多周期同步测频方法 一、测量原理 多周期同步测频是在直接测频基础上发展起来的，在目前的测频系统中得到 了越来越广泛的应用。它在测频时，闸门时间不是固定的，而是被测信号的整数 倍，即与被测信号保持同步，因此消除了对被测信号计数所产生的1 个数字误 差，使测量精度大为提高，测量原理框图如图2 1 ，测量原理的波形如图2 2 。 标准信号f 预置闸门 被捌信号f 运 算 显 不 图2 1 多周期同步测频原理框图 1 0 顾i 。学位论文 预置闸门 被测信号f x 实际闸门 标准信号f c jl z 仃亿刀刀刀 t i1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 f 豳2 2 多周期同步测频原理波形图 测量时，首先预置闸门开启信号，此时计数器并不计数，等被测信号上升沿 到来时，触发器输出计数允许信号( 实际闸门信号) ，计数器l 对标准信号计数， 计数器2 对被测信号计数，预置闸门关闭时，计数器并不立即结束计数，而是等 到被测信号上升沿到来时才停止计数，完成测量过程。 若计数器l 对标准信号的计数值为n 。，计数器2 对被测信号的计数值n 。，则被 测信号频率为： ， 正= 詈正 ( 2 6 ) v c 运算器对式( 2 6 ) 进行运算，由显示器显示运算结果，即为被测信号的频率值。 二、误差分析 由误差合成公式有： 盟：坐一坐+ 笪( 2 7 ) x n i n cl c 在( 2 7 ) 中第一项为被测信号引起的量化误差，由于实际闸门与被测信号同步， 所以a = 0 ，即消除了被测信号计数所产生的1 个字的量化误差，由此得到最 大相对误差为： 等= 陆+ 吲 正l 矾i 丘u ( 2 8 ) 式( 2 8 ) 说明频率测量的相对误差与被测信号的频率无关，其大小主要取决于 闸门时间和标准信号频率，因而实现了频带内等精度、高精度的测量。当合理选 择闸门时间和标准信号频率，既可保证测量精度；又可提高测量速度，因此多周 期同步测频法得到了广泛的应用。而且由( 2 8 ) 式可知：闸门时自j t 越长，时基 频率越高，分辩率越高，误差愈小。但是，多周期同步测频法还是没能够是时基 摹于f p g a 的伞旧步数字频率计的设计 信号与被测信号以及闸门信号三者同步，从而产生的时基信号的1 个字的量化 误差还没有消除。 2 2 提高频率测量精度的方案研究 在多周期同步测频方法中，已经消除了被测信号的1 个字的量化误差，但 是对标频信号的1 个字的量化误差还没有得到很好的解决。因此，下面在多周 期同步测频方法的基础上，进一步分析提高测量精度的基本方法。 2 2 1 采用对标频信号计数的修正来提高测量精度 1 、双计数测频 该方法在多周期同步测频的基础上，提 高测频的精度。我们可以分别把标准频率 l 的上升沿和下降沿分别作为计数器的计 数脉冲，最后的n 等于2 个计数器计数值的 算术平均值。其实这种方法相当于在不改 变系统的工作频率的情况下让其达到2 倍 频的效果，以2f 0 的时钟频率进行计数， 从而将测量精度提高到原来的两倍。例如 直接用i o o m h z 的f 0 作为标频计树脉冲时， 最大计数误差为1 0 n s ，而双沿计数的等效 时钟则为2 0 0 m h z ，计数误差为5 n s ，同时， 系统的最大工作频率并没有改变。 2 、数字移相测频 图2 3 移相测频原理幽 计数翱 这种思想与双计数测频具有累似的地方。所谓移相是以一路信号为参考，另 一路信号的相位相对于参考信号超j ；i 或滞后的移动。原理如图2 3 所示。标准频 率f f j 经过移相得到c l k o 、c l k l 、c l k 2 、c l k 3 ，而c l k l 、c l k 2 、c l k 3 相对与c l k 0 依 次移相9 0 度、1 8 0 度、2 7 0 度。四路信号分别作为计数器l 、计数器2 、计数器3 、 计数器4 的计数脉冲，同时使t 1 为t x 的整数倍，并把t l 作为所有计数器的开始信 号，n = ( n o + n i + n 2 + n 3 ) 4 。但是由于c l k l 、c l k 2 、c l k 3 是f o 的二分频，所以这 种方法对于提高测频精度和双计数测频法是等效的，但是电路要复杂一些。如果 采用f p g a 内部资源来实现不分频情况下的精确移相，则其精确度可以提高4 倍。 总之，以上两种方法可以在一定程度上提高频率测量的精确度，。但是还是很 难抑制标准频率信号所产生的1 个字的量化误差。西安电子科技大学周渭发明 了相检式多周期同步测频方法，能够采用相对简单的技术在同一闸门时问内准确 硕卜警位论史 的对标准频率信号和待测频率信号的整周期数进行计数，从而可获得很高的测频 精度。 2 2 2 相检式多周期同步测频法 1 、相检式多周期同步测频法的原理”1 当被测频率量与标准频率量之间有频率差时，两信号的相对相位会随时间周 期性变化。采用特定的相位检测电路，可以检测出被测频率信号相位重合的信息， 并产生相应的相位重合脉冲，用此脉冲作为实际计数闸门的开门相关门信号。图 f 单e q 篱罄尊莲- j 一一一一。_ 门信号t e li 待测频辜专三i 几厂 几几一一一r 几厂 标准频率f q ；几几几几几几几几几n 几几n 几 重合脉 中i 卜 i | | _ 一一一i j l 一 ! f f 1 ：! 实际r 回p j t f e e t j 玺i2 4 相检式多周期同步测频法原理幽 2 4 是实际应用该方法的信号时序图。 f ，和f o 分别为被测频率信号和标准频率信号，t g 为预定闸门时间( 可以是 0 1 s ，i s ，l o s ) ，由单片机系统定时给定。当t g 上升为高电平给出预开门信号后， 相位检测电路丌始工作，而对f 。和f 0 的计数并没有真正开始，直到随后f 。和f 0 同时 达到上升沿或下降沿时，相位检测电路将产生相应的相位重合脉冲，用它打开真 正的计数闸门，两路计数器同时对f ，和f 0 分别进行计数：经过预定闸门时i 日j t g 后， 单片机给出预关门信号，但计数并没有停止，直到随后的第一个相位重合脉冲到 来时才同时关闭两路计数器，这样，两计数器计得得分别是被测频率信号f 。与标 准频率信号f 0 的整周期数n x 和n 。对于以知得f 0 有： 六= 瓮厶 ( 2 9 ) 用此方法测量频率，理论上测量结果得误差只取决于相位检测电路得相位重合检 测精度j ( 如使用7 4 s x x 系列得高速器件可使这个检测精度在时间轴上满足 万3 n s ) 。但是，实际上在这种测量方法中，待测信号和标准信号得频率值，频 率差得大小都会对实际闸门时间得长短有影响。例如，当待测信号和标准信号的 频率值相等或成整数倍或分数倍的关系时，一旦两信号有相位差，就不会有相位 重合的时刻，两信号频差越小，实际的闸门时间就越长。另外，待测信号和标准 信号的频率值，频率差也对测量结果的误差有影响。分析表明，当频率差不大时， 基于f p g a 的伞问步敬一频率计的设计 两信号的相位从分离到重合是完全有规律的按一定的步长变化的。单片机给出预 开门信号到相检电路检测到随后第一个相位重合信息并打丌闸门的过程，与单片 机给出预关门信号到相检电路检测到随后第一个相位重合信息并关闭闸门的过 程是完全一致的，因此，尽管相检电路检测相位重合的精度为j ，但由于闸门开 启和关闭是两信号相位变化过程的一致性，这个艿被最大限度的抵消了，测量精 度就越高。但频差太小，两信号相位重合的频率也很小，由图2 4 可知，实际闸 门时间为t g r e a l = t g t i + t 2 ，当t 2 变大时会使得实际得闸门时间太长从而过多得 偏离预设闸门时间。 在参考文献 6 中，通过一定的试验得出了以下的结论：在采用相检式多周 期同步法测频，应考虑到被测信号频率与标准信号频率的频差关系对测量精度的 影响。标准频率一定，被测频率与标准频率的频差越小，测量时相应的实际闸门 时问会越长；而频差太大，考虑相检电路的分辨率后，被测信号和标准信号之间 的相位重合脉冲的产生就无规律可循。无法利用两次相位重合脉冲产生时相同的 重合到分离的规律抵消相检电路的检测误差，不能达到这种方法的最高测量精 度。 2 3 全同步数字频率计的工作原理 2 3 1 全同步频率测量的误差分析 m 法、t 法的测量精度不仅取决于基准时j 日j 和计数器的计数误差，还取决于 频率的高低，频率不同则精度不一样，m 法在高频段的准确度相对较高，t 法在 低频段的准确度较高。m 厂r 法则在整个测试频段的精度一样，闸门信号是被测信 号周期的整数倍，即与被测信号同步，因此大大减少了误差，但山于只与被测信 号同步，而不与标准时钟同步，因此还是存在着标准时钟l 计数误差。其测频 原理图见图2 5 。 标准时钟 门几几几几几几几几l 被测信号 厂 厂 厂 参考闸门 等精度测频原理 图2 5 等精度测频原理图 1 4 硕i 学位论文 设实际闸门时问为t 。，在t 。时间内，被测信号周期数为n 。，标准时钟周期数 为m 0 。标准时钟频率为f o ，被测信号的频率测量值为。1 ： = 篆五 眨9 ， 实际闸门时日j 忍为被测信号周期的