基于VHDL语言的数字频率计的设计方案

1.引言

数字频率计是通讯设备、计算机、电子产品等生产领域不可缺少的测量仪器。由于硬件设计的器件增加，使设计更加复杂，可靠性变差，延迟增加，测量误差变大。通过使用EDA技术对系统功能进行描述，运用VHDL语言，使系统简化，提高整体的性能和可靠性。采用VHDL编程设计的数字频率计，除了被测信号的整形部分，键输入和数码显示以外，其他都在一片FPGA上实现，从而让整个系统非常精简，让其具有灵活的现场更改性，在不改变硬件电路的基础上，进一步改进提高系统的性能，使数字频率计具有高速，精确度高，可靠性强，抗干扰等优点，为数字系统进一步的集成创造了条件。

2.数字频率计的工作原理

频率测量方法中，常用的有直接测频法、倍频法和等精度测频法。中直接测频法是依据频率的含义把被测频率信号加到闸门的输入端，只有在闸门开通时间T(以ls计)内，被测(计数)的脉冲送到十进制计数器进行计数。直接测频法比其他两个方案更加简单方便可行，直接测频法虽然在低频段测量时误差较大，但在低频段我们可以采用直接测周法加测量，这样就可以提高测量精度了。直接周期测量法是用被测周期信号直接控制计数门控电路，使主门开放时间等于Tx,时标为Ts的脉冲在主门开放时间进入计数器。设在Tx期间计数值为N,可以根据Tx=N×Ts来算得被测信号周期。因此本文采用低频测周，高频测频的方法来提高精度，减小误差。

3.主要功能模块的实现

该系统设计的控制器是由状态机实现，通过在不同测量档位，选择合理的时基信号频率降低误差，确定各状态转移条件和状态名，采用低频档位测周，高频档位测频的方法。20MHz晶振送入分频器，分出各档时基信号和其它模块所需的触发信号，分频器将各档时基信号传给状态机，同时待测信号进入状态机，状念机进行状态转换，将量程溢出信号和状态显示信号表征在发光二极管上。如图表1所示。

3.1 状态机模块

首先对系统复位，如果此时状态机的初始状态为Fl00k,若超量程信号送入状态机，则状态转换到FlM,如果仍有超量程信号则状态转换到F10M,如果仍有超量程信号则状态转换到F100M,如果还有超量程信号则状态转换到Overflow H产生高溢出信号;若欠量程信号送人状态机，则状态转换到P1ms,如果有超量程信号则状态转换到P10ms,如果仍有超量程信号则状态转换到P100ms,如果仍有超量程信号则状态转换到P 1 s,如果还有超量程则状态转换到OverflowL产生低溢出信号。如图1所示。

3.2 计数器模块

在“待计数信号”的两个时钟周期内完成计数与控制信号(Over与Low)的传输，在量程合适的情况下，还将计数值输出。这两个时钟周期内，第1个时钟周期完成计数，第2个时钟周期完成控制信号的传输与计数值输出。这样做的好处是稳定，将计数与控制信号传输分开进行。避免了一些可能遇到的“时钟跳变”.但这种做法的缺点也很明显，那就是在测周期模式下，假如待测信号是1Hz的，那么系统可能需要2s(两个时钟周期)才能显示正确的数值。

3.3 十分频模块

由于1kHz~10kHz的信号无论用测频法还是测周期法都是不可行的，可以采用预分频的方法，将1kHz~10kHz的信号十分频，然后用测周期法测出周期，再计算出频率。

3.4 同步整形电路模块

library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;entity SignalLatch is4.系统的功能仿真和验证分析。

据状态转换图，这里将状态机的程序分成两个进程，进程1完成状态转移过程，进程2控制各状态下的输出值如下图2所示，timecounter=clocktested为50KHz.

为了方便观察，将数值改小，计数值大于100且小于或等于1000时输出!将clock1设为50K,clock2计数时钟设为5M,得出仿真如图3所示Result为100符合计数要求。

如图4所示给clk1一个5KHz的频率，经过十分频后clk2输出0.5KHz,clk1的周期是0.2ms,经过十分频后是2ms

同步整形电路仿真如图5所示。

由以上模块进行仿真得出了频率的测量。如图6、7、8所示。

5.结论

本方案所设计的数字频率计占用FPGA芯片资源较少，成本较低，减少了电路的尺寸，具有一定的实用价值。利用QuartusII平台进行了仿真和硬件测试，基本达到了设计的要求。从而证实了本方案的具有较好可靠性，灵活性以及实用性。