采用等精度测频原理的频率计的设计

1、采用等精度测频原理的频率计的设计一.设计要求1 .设计一个用等精度测频原理的频率计。2 .频率测量测量范围19999;3 .用4位带小数点数码管显示其频率；二.测频原理及误差分析1 .常用的直接测频方法主要有测频法和测周期法两种。2 .测频法就是在确定的闸门时间 Tw内，记录被测信号的变化周期数（或脉冲个数）Nx,则被测信号的频率为：fx=Nx/Tw。3 .测周期法需要有标准信号的频率fs,在待测信号的一个周期Tx内，记录标准频率的周 期数Ns,则被测信号的频率为：fx=fs/Ns 。4 .这两种方法的计数值会产生土 1个字误差，并且测试精度与计数器中记录的数值Nx或Ns有关。为了保证测试精度

2、，一般对于低频信号采用测周期法；对于高频信号采用测频 法，因此测试时很不方便，所以人门提出等精度测频方法。5 .等精度测频方法是在直接测频方法的基础上发展起来的。6 .它的闸门时间不是固定的值，而是被测信号周期的整数倍，即与被测信号同步，因此，测除了对被测信号计数所产生土 1个字误差，并且达到了在整个测试频段的等精度测量。预置闸门k ,口 一 7I_!实际闸门k -二 一 7标准信号juiuiiiiuji皿皿tiumiimi皿皿即1皿皿1!< M W _ »被测信号1_|_I_I_I_»IIIL* MX1I等精度测频原理波形图7 .在测量过程中，有两个计数器分别对标准

3、信号和被测信号同时计数。8 .首先给出闸门开启信号（预置闸门上升沿），此时计数器并不开始计数，而是等到被测信号的上升沿到来时，计数器才真正开始计数。然后预置闸门关闭信号（下降沿）到时，计数器并不立即停止计数，而是等到被测信号的 上升沿到来时才结束计数，完成一次测量过程。可以看出，实际闸门时间P与预置闸门时问T 1并不严格相等，但差值不超过被测信号的一个周期9 .设在一次实际闸门时间P中计数器对被测信号的计数值为Nx,对标准信号的计数值为Nso10 .标准信号的频率为fs ,则被测信号的频率为11 .由式（1）可知，若忽略标频fs的误差，则等精度测频可能产生的相对误差为12 . 6 =（|fxc

4、-fx|/fxe） X 100% （2）13 .其中fxe为被测信号频率的准确值。14 . 5 =| A Ns|/Ns < 1/Ns=1/（ r - fs）由上式可以看出，测量频率的相对误差与被测信号频率的大小无关，仅与闸门时间和 标准信号频率有关，即实现了整个测试频段的等精度测量。闸门时间越长，标准频率越高，测频的相对误差就越小。标准频率可由稳定度好、精度高的高频率晶体振荡器产生，在保证测量精度不变的前 提下，提高标准信号频率，可使闸门时间缩短，即提高测试速度。等精度测频的实现方法可简化为下图所示的框图三.设计步骤CNT1和CNT此两个可控计数器，标准频率（fs）信号从CNT1的时钟卒

5、&入端CLKK入;经整形后的被测信号（fx ）从CNT2的时钟卒&入端CLK输入。每个计数器中的CEN俞入端为时钟使能端控制时钟输入。当预置门信号为高电平（预置时间开始）时，被测信号的上升沿通过D触发器的输出端，同时启动两个计数器计数；同样，当预置门信号为低电平（预置时间结束）时, 被测信号的上升沿通过D触发器的输出端，同时关闭计数器的计数。系统组成系统由分频器、计数器1、计数器2、D触发器等组成。分频器出来的信号作为等精度测频原理的预置闸门信号。其中D触发器，计数器2和计数器1的作用与前2页图中所示相同。运算模块就是完成公式（1）的运算。复位主要对分频、计数器1和计数器2进行

6、清零操作。采用等精度测频原理的频率计的程序与仿真PLJu 1 kc 米t el k Xtalka 1 ar-m0datalC 13 - - 0>al anm0al ale1cd i ant 3 - - 0 Jd at al C 1 3 . . 0 一文件名：PLJ.vhd。-功能：4位显小的等精度频率计。-最后修改日期：2004.4.14。library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;use ieee.std_logic_arith.all;entity PLJ isport(clk:in

7、 std_logic;-tclk:in std_logic;-start:in std_logic;-alarm0,alarm1:out std_logic; -dian:out std_logic_vector(3 downto 0);-data1:out integer range 0 to 9999);-end PLJ;architecture behav of PLJ issignal q:integer range 0 to 9999;-signal q1:integer range 0 to 10000;-signal q2:integer range 0 to 20000;-si

8、gnal en,en1:std_logic;-signal qq,qqq:integer range 0 to 200000000;-signal data0:integer range 0 to 9999;-基准时钟（10KHz）被测信号复位信号超量程，欠量程显示小数点频率数据预置闸门分频系数 被测信号计数器 基准信号计数器 预置闸门，实际闸门运算器频率数据中间信号beginprocess(clk)-此进程得到一个预置闸门信号beginif clk'event and clk='1' thenif start='1' then q<=0;en&l

9、t;='0'elsif q=9999 then q<=9999;en<='0'else q<=q+1;en<='1'end if;end if;end process;process(tclk) -此进程计被测信号脉冲数，和得到一个实际闸门信号beginif tclk'event and tclk='1' thenif start='1' then q1<=0;en1<='0'elsif en='1' then q1<=q1+1;en

10、1<='1'else en1<='0'end if;end if;end process;process(clk) -此进程完成在实际闸门时间内，计基准脉冲数beginif clk'event and clk='1' thenif start='1' then q2<=0;elsif en1='1' thenif q2=20000 then q2<=20000;else q2<=q2+1;end if;end if;end if;end process;process(clk)

11、-此进程完成等精度频率计的运算beginif clk'event and clk='1' thenif start='1' thendata0<=0;dian<="0000"alarm0<='0'alarm1<='0'qqq<=0;qq<=00;elsif en1='0' thenif q1>=1000 then qq<=q1*10000;-根据 q1 的大小来判断小数点的位置if qqq<qq then qqq<=qqq+q2

12、;data0<=data0+1;dian<="0000"完成数据运算elsif data0>=10000 then alarm0<='1'-超量程显示else data1<=data0;end if;elsif q1>=100 then qq<=q1*100000;if qqq<qq then qqq<=qqq+q2;data0<=data0+1;elsif data0>=10000 then data1<=1000;dian<="0000"else data1

13、<=data0;dian<="0010"end if;elsif q1>=10 then qq<=q1*1000000;if qqq<qq then qqq<=qqq+q2;data0<=data0+1;elsif data0>=10000 then data1<=1000;dian<="0010"else data1<=data0;dian<="0100"end if;elsif q1>=1 then qq<=q1*10000000;if qqq&l

14、t;qq then qqq<=qqq+q2;data0<=data0+1;elsif data0>=10000 then data1<=1000;dian<="0100"else data1<=data0;dian<="1000"end if;end if;elsif q2>19999 then alarm1<='1'-欠量程显示else alarm1<='0'end if;end if;end process;end behav;矶mri elkW q m en

15、 tclkL sn1 M q1 瞅垠 » qq 国r qqq 瞅 dals£i datal dianDO0DO附录DO O_DO口-0000alarmDtA alarml等精度频率计仿真图一欠量程IM 鼻 me: n_j对 art 2 elk 型q m 百n ticlkLU enl 型ql .他q2 a叫 qqq jOl dataQ datal dian alarmO frf31 alarml等精度频率计仿真图一超量程Name: startelk4q即 en»- iclknl pn I册q"cj24qq即qqq回/daiaOdataldian-alarm

16、O alarmlbktm自： start elkQ/ q m an K- tclk 印 enl Q/ ql 由q2 苗qq QZ qqq L_Z dalaO 亳杉dstl dian-l> alarmO -t> alarml等精度频率计仿真图一5tclk=clkgX1111000DK111188680m11120*11120000等精度频率计仿真图一9tclk=clk200 .Ous400. Ous600. Ous800.Qus0Vsd小0等精度频率计仿真图一50tclk=clkMame;start elkEiZ q EM enm en1GiZ q1 d/ q2 W qq QZ qq

17、q W dataO datal 与"dian -E alarmO alarmlName: »- gtan | elk 舐q Qk en »" tClk m enl 酰q1 酬q2 W qq 心qqq 瞅 dataO datal dian-K alarmO alarml等精度频率计仿真图一80tclk=clkName:» elk瞅q 皿 en IB- tclk m mM 瞅q1 aq2 W qq 觎qqq a dataOdat31 dian alarmO -i alamnil等精度频率计仿真图一300tclk=clk时 WEE： 2- srart

18、 - elk N q ol en 1> itlk LJ en1 呼q1 a q2 qq qqq a dataO 与，F dmtal -y小曲larmO -E «ilarrn1Valui200 Ous如口 Ou£GOO OusBOO. Ous1 0msnLpLRTTrLTLTLnLmT"LrLrLnLrLnnrLrLnLrLnnruTLK:ETJUDZXRnDCECZ9:9000(sooooooa口：900000Wo).：ioooo0Xloo口0000)(1000X0100010D90DName:start0800.Ousm enGi en1aq1“q2OiZ qqL1Z qqqa dataOdatal亳承dianalarmOalarml9999T口 XX2Km0X2000口口口口0川口cioooo0二封口0X2口00000031000000 200等精度频率计仿真图一5000tclk=clk3- start0elk0即q-一i eni