目錄

一、要求：

二、指標(biāo)要求?

三、?等精度測頻設(shè)計原理

四、時序分析：?

五、模塊設(shè)計?

1、計數(shù)器

2、讀數(shù)據(jù)

3、數(shù)據(jù)處理

4、數(shù)碼管顯示模塊

六、仿真分析

1、計數(shù)模塊

A、測量1Mhz頻率占空比為50%的信號的頻率。

?B、Em設(shè)置為1Mhz，占空比為46%的信號的占空比

2、數(shù)據(jù)處理模塊

3、總體仿真?

七、實測展示

?八、說明

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一、要求：

????????利用Altera公司的FPGA開發(fā)軟件Quartus 13.1采用混合設(shè)計實現(xiàn)方波信號頻率和占空比測量。?

二、指標(biāo)要求?

1) 待測方波信號頻率范圍1Hz~1MHz，測量精度優(yōu)于0.1Hz

2) 待測方波信號占空比范圍1%~95%，測量精度優(yōu)于1%

3) 頻率數(shù)據(jù)顯示精度0.1Hz，給出8位數(shù)字的BCD碼結(jié)果

4) 占空比給出2位整數(shù)百分比的BCD碼結(jié)果

三、?等精度測頻設(shè)計原理

?設(shè)計原理流程圖如圖 1：

圖 1設(shè)計原理流程圖?

?????????將在相同時間內(nèi)對被測信號和標(biāo)準(zhǔn)信號同時計數(shù) ，D觸發(fā)器保證實際閘門時間與被測信號同步，消除被測信號計數(shù)誤差；讀數(shù)據(jù)模塊兩個技術(shù)模塊數(shù)據(jù)同時讀入送進(jìn)數(shù)據(jù)處理模塊處理；數(shù)據(jù)處理模塊將讀入的數(shù)據(jù)計算出頻率與占空比后送入顯示模塊；顯示模塊將頻率與占空比顯示在數(shù)碼管上。

等精度測頻率原理：

????????等精度測頻法本質(zhì)上是多周期同步測頻，它是在直接測頻基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，在目前的測頻系統(tǒng)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。等精度測頻時，同時對標(biāo)準(zhǔn)信號和待測信號計數(shù)，而且實際閘門時間不是固定的，而是被測信號的整數(shù)倍，即與被測信號保持同步，因此消除了對被測信號計數(shù)所產(chǎn)生的士1個數(shù)字誤差，使測量精度大為提高。

四、時序分析：?

?????????如圖 2所示，Tx待測型號在Cl的預(yù)置閘門信號期間進(jìn)行采樣計數(shù)，使得在En為高時Tx總是整數(shù)倍出現(xiàn)。?

圖 2時序分析圖?

????????設(shè)在一次實際閘門時間τ中計數(shù)器對被測信號的計數(shù)值為Nx，對標(biāo)準(zhǔn)信號的計數(shù)值為Ns。標(biāo)準(zhǔn)信號的頻率為fs，則被測信號的頻率為：

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?fx=(Nx/Ns)·fs? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）? ? ? ? ?

五、模塊設(shè)計?

????????如圖 3所示，計數(shù)器模塊同時計數(shù)頻率Ns、Nx值與占空比Nh值，數(shù)值傳給數(shù)據(jù)處理模塊，由數(shù)據(jù)模塊switch信號切換顯示數(shù)據(jù)的不同位，數(shù)值傳給數(shù)碼管顯示模塊顯示。

????????由一個D觸發(fā)器實現(xiàn)預(yù)置閘門與待測信號的同步，觸發(fā)信號為Tx，后面四個D觸發(fā)器為讀信號和清零信號延時，由50Mhz標(biāo)準(zhǔn)信號觸發(fā)，延時兩個標(biāo)準(zhǔn)信號單元為Read信號，延時四個標(biāo)準(zhǔn)單元為clr信號；復(fù)位信號控制五個D觸發(fā)器的使能信號。

?

圖 3系統(tǒng)總體設(shè)計圖?

?模塊代碼展示：

1、計數(shù)器

頻率計數(shù)器：

module counter(clk,En,clr,tsq); input clk,clr,En; output reg [27:0]tsq; always@(posedge clk or negedge clr) beginif(!clr)begintsq<=28'b0;endelsebeginif(En)begintsq<=tsq+1;endend end endmodule

?占空比計數(shù)器：

module counter_duty(clk,En,clr,Tx,duty,tsq); input clk,clr,En,Tx; output reg [27:0]duty; output reg [27:0]tsq; always@(posedge clk or negedge clr) beginif(!clr)beginduty<=28'b0;tsq<=28'b0;endelsebegintsq<=tsq+1;if(En&Tx)duty<=duty+1;//高電平數(shù)end end endmodule

2、讀數(shù)據(jù)

module read_value(read,Ns_data_in,Ns_data_out,TX_data_in,TX_data_out,Nh_data_in,Nh_data_out); input read; input [27:0] Ns_data_in,TX_data_in,Nh_data_in; output reg [27:0] Ns_data_out,TX_data_out,Nh_data_out;always@(negedge read) beginTX_data_out<= TX_data_in;Ns_data_out<=Ns_data_in+28'd4;Nh_data_out<=Nh_data_in+28'd4; end endmodule

3、數(shù)據(jù)處理

module data_processing(Ns_data,TX_data,Fre_data_INT,Fre_data_Fra,duty,duty_rs); input [27:0] Ns_data,TX_data,duty; reg [55:0] temp; reg [27:0] remainder;output reg [9:0]duty_rs; //占空比 output reg [27:0] Fre_data_INT; // 頻率整數(shù)部分 output reg [6:0] Fre_data_Fra; // 頻率小數(shù)部分always@(Ns_data,TX_data) begintemp = 50_000_000*TX_data;Fre_data_INT = temp/Ns_data;remainder = temp%Ns_data; Fre_data_Fra= remainder*100/Ns_data; // 保留2位小數(shù)duty_rs =(duty*1000)/Ns_data; end endmodule

4、數(shù)碼管顯示模塊

module display(switch,Fre_data_INT,Fre_data_Fra,clk_50M,duty,Dis1,Dis2,Dis3,Dis4,Dis5,Dis6); input [27:0] Fre_data_INT; input [6:0] Fre_data_Fra; input [9:0] duty; input switch; input clk_50M; output reg [3:0] Dis1; output reg [3:0] Dis2; output reg [3:0] Dis3; output reg [3:0] Dis4; output reg [3:0] Dis5; output reg [3:0] Dis6;reg [27:0] Ns_data;always@(clk_50M) beginif(switch)//前六位beginDis1[3:0]<= Fre_data_INT/1_000_000;Dis2[3:0]<= (Fre_data_INT%1_000_000)/100000;Dis3[3:0]<= (Fre_data_INT%100000)/10000;Dis4[3:0]<= (Fre_data_INT%10000)/1000;Dis5[3:0]<= (Fre_data_INT%1000)/100;Dis6[3:0]<= (Fre_data_INT%100)/10;endelse//后六位(其中最后三位為占空比數(shù)據(jù))beginDis1[3:0]<= Fre_data_INT%10;Dis2[3:0]<= 0;Dis3[3:0] <= Fre_data_Fra/10;Dis4[3:0]<=duty/100;Dis5[3:0]<=(duty%100)/10;Dis6[3:0]<=duty%10;end end endmodule

六、仿真分析

1、計數(shù)模塊

????????在計數(shù)模塊中Ns為標(biāo)準(zhǔn)信號個數(shù)，Nx為待測信號個數(shù)，Nh為高電平計數(shù)個數(shù)，tsq為頻率值，duty為占空比值。

?????? 計算公式tsq = 50_000_000*Nx/Ns;? duty=Nh/Ns;用quartus自帶仿真，仿高頻信號。

A、測量1Mhz頻率占空比為50%的信號的頻率。

????????設(shè)置Tx為1Mhz，預(yù)置閘門preset_gate周期為20us，clk_50M為標(biāo)準(zhǔn)50Mhz，reset為使能信號，始終為高。

理論測得tsq=500。

????????實際仿真測得tsq=496，由于clr信號延時四個標(biāo)準(zhǔn)信號周期，所以tsq=500-4，后期數(shù)據(jù)處理模塊會將Ns補(bǔ)4，符合理論結(jié)果，如圖 4所示。

?圖 4計數(shù)器模塊頻率計數(shù)仿真圖?

?B、Em設(shè)置為1Mhz，占空比為46%的信號的占空比

????????理論測得Nh=230，Ns=500，duty計算得460（乘以1000后的結(jié)果，以便顯示）實際仿真測得duty=460，Nh補(bǔ)4后符合理論結(jié)果（原因同上），如圖 5所示。

圖 5計數(shù)器模塊占空比計數(shù)仿真圖?

2、數(shù)據(jù)處理模塊

????????Duty_rs為占空比值*1000，Fre_data_INT為頻率整數(shù)值，Fre_data_Fra為頻率小數(shù)值Read為讀信號，switch為顯示位輸出轉(zhuǎn)換開關(guān)。

仿真1MHz，占空比為46%的信號。

根據(jù)公式tsq = 50_000_000*Nx/Ns;? duty=Nh/Ns。

理論測得Duty_rs=460，fre_data_INT=1000000,fre_data_Fra=0。

實際仿真測得Duty_rs=460，fre_data_INT=1000000,fre_data_Fra=0如圖 6。

圖 6數(shù)據(jù)處理模塊仿真圖?

3、總體仿真?

????????總體仿真電路圖如圖 7所示，隨機(jī)選取了5656.5Hz占空比為55.5%的信號測試，仿真結(jié)果如下圖所示。頻率仿真得到fre =5656.5hz，占空比為55.5%符合題目設(shè)計要求。?

圖 7總體仿真電路圖?

測試文件設(shè)置如圖 8

單位1ps,精度1ps。

圖 8測試文件圖?

圖 9總體仿真測試圖?

?Switch為1時輸出頻率高六位，為0時輸出低一位和小數(shù)點(diǎn)后一位，以及用0代替小數(shù)點(diǎn)（此模塊小數(shù)點(diǎn)沒接管腳），和占空比（最后一位為小數(shù)后一位）。如上圖9所示。

七、實測展示

????????用50Mhz分頻的待測信號，測量280.8hz，占空比50%信號。（隨機(jī)選擇）

?圖 10生成待測信號分頻器設(shè)計

圖 11前六位顯示?

圖 12后六位顯示

????????如圖 11前六為分別是頻率的小數(shù)點(diǎn)前2至7位，如圖 12第一位是頻率的小數(shù)點(diǎn)前1位，第二位是用來當(dāng)小數(shù)點(diǎn)的0（此塊板子沒有接小數(shù)點(diǎn)管腳），第三位是頻率的小數(shù)點(diǎn)后一位，后三位用于表述占空比，其中最后一位是占空比小數(shù)點(diǎn)后一位；可見測得數(shù)據(jù)位，頻率：280.8hz，占空比為50.0%。

????????將圖 10中的第7行89000改為85000，可改變其占空比，理論計算得89000/178000=47.7%,實際測得也為47.7%，如下圖所示。

?圖 13改變占空比后的后六位顯示

?八、說明

????????因為實際測量信號不是由信號發(fā)生器生成的標(biāo)準(zhǔn)信號，而是通過50Mhz分頻產(chǎn)生而得，?根據(jù)實際測量結(jié)果可知，較高頻的測量誤差較大，其原因是因為其待測信號是由標(biāo)準(zhǔn)50Mhz分頻而得，在生成較高頻時由于 ?(數(shù)據(jù)處理+程序運(yùn)行時間)/理論分頻的周期 的比值較大，數(shù)據(jù)處理時間+程序運(yùn)行時間使實際分頻周期偏大，使得實際測得信號頻率偏小，誤差較大；待測頻率越高誤差越大。

? ? ? ? 如果使用信號發(fā)生器作為標(biāo)準(zhǔn)輸入信號，誤差應(yīng)該符合題目需求，但是沒有實測過。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的基于FPGA等精度的实时测量频率和占空比的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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