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一、指標需求 （1）設計一個頻率測量范圍0~200MHz的頻率計。 （2）要求要能夠完成高、低頻率的測量并自動換擋，設計換擋分界，分析誤差來源并設計測量分辨率及量程。
二、設計分工及原理分析2.1設計分工及總體框架圖 本文以Max+plusII為設計環(huán)境，在具體的VHDL語言設計程序中，先將程序分為四個設計模塊:分頻模塊、鎖存器控制模塊、計數(shù)模塊、判決模塊，在此基礎上建立項層文件，再對項層文件進行編譯、仿真即可。 總體框圖設計思路:由系統(tǒng)時鐘分頻得到基準時鐘，在基準時鐘的高電平期間計被測頻率的脈沖個數(shù)，高電平結(jié)束時計數(shù)結(jié)束，所記錄的脈沖個數(shù)是被測信號的頻率，為了在數(shù)碼管上顯示計數(shù)結(jié)果需要鎖存器的鎖存，因此，在基準時鐘下降沿來的時候鎖存器實現(xiàn)鎖存功能。為了下次計數(shù)必須將本次計數(shù)的結(jié)果清零，所以在基準時鐘低電平期間對計數(shù)器清零。被測頻率從計數(shù)器的是中端輸入實現(xiàn)頻率的測試，通過計數(shù)器將最終的計數(shù)結(jié)果輸入數(shù)據(jù)鎖存器，鎖存器鎖存的數(shù)據(jù)輸入判決模塊決定并輸出最終的計數(shù)結(jié)果。
2.2數(shù)字頻率計的基本原理 常用的頻率測量方法有兩種：頻率測量法和周期測量法。 （1）頻率測量法是用一個頻率穩(wěn)定度高的頻率源作為基準時鐘，在時間t內(nèi)對被測信號的脈沖數(shù)N進行計數(shù)，然后求出單位時間內(nèi)的脈沖數(shù)，即為被測信號的頻率。通常情況下計算每秒內(nèi)待測信號的脈沖個數(shù),此時我們稱閘門時間為1秒。閘門時間也可以大于或小于一秒，閘門時間越長，得到的頻率值就越準確，但閘門時間越長則每測一次頻率的間隔就越長；閘門時間越短，測的頻率值刷新就越快,但測得的頻率精度就受影響。 （2）周期測量法是先測量出被測信號的周期T，然后根據(jù)頻率f=1／T求出被測信號的頻率。但是上述兩種方法都會產(chǎn)生±1個被測脈沖的誤差，在實際應用中有一定的局限性。 根據(jù)測量原理，很容易發(fā)現(xiàn)頻率測量法適合于高頻信號測量，周期測量法適合于低頻信號測量，故本文高頻時采用頻率測量法，低頻時自動換擋使用周期測量法。
三、設計結(jié)果展示 3.2分頻器的功能模塊及仿真 （1）分頻器的功能模塊： （2）源程序： LIBRARY IEEE; USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL; ENTITY FENP IS PORT(CLK:IN STD_LOGIC; --1 Hz測頻控制時鐘 FIN:IN STD_LOGIC; EN1,EN2:OUT STD_LOGIC; --計數(shù)器時鐘使能 CLR1,CLR2:OUT STD_LOGIC; --計數(shù)器清零 LOAD1,LOAD2:OUT STD_LOGIC); --輸出鎖存信號 END ENTITY FENP; ARCHITECTURE ART OF FENP IS SIGNAL DIV2CLK :STD_LOGIC; SIGNAL DIV2FIN :STD_LOGIC; BEGIN PROCESS ( CLK ) IS BEGIN IF CLK'EVENT AND CLK='1' THEN --1HZ時鐘二分頻 DIV2CLK<=NOT DIV2CLK; END IF ; END PROCESS; PROCESS ( CLK,DIV2CLK ) IS BEGIN IF CLK= '0' AND DIV2CLK = '0' THEN --產(chǎn)生計數(shù)器清零信號 CLR1<='1'; ELSE CLR1<= '0' ; END IF; END PROCESS; PROCESS ( FIN ) IS BEGIN IF FIN'EVENT AND FIN='1' THEN --二分頻 DIV2FIN<=NOT DIV2FIN; END IF ; END PROCESS; PROCESS (FIN,DIV2FIN ) IS BEGIN IF FIN= '0' AND DIV2FIN = '0' THEN --產(chǎn)生計數(shù)器清零信號 CLR2<='1'; ELSE CLR2<= '0' ; END IF; END PROCESS; LOAD1<=NOT DIV2CLK; EN1<=DIV2CLK; LOAD2<=NOT DIV2FIN; EN2<=DIV2FIN; END ARCHITECTURE ART; 頻率計的關(guān)鍵是設計一個測頻率控制信號發(fā)生器，產(chǎn)生測量頻率的控制時序。控制時鐘信號CLK取為1Hz，2分頻后即可產(chǎn)生一個脈寬為1秒的時鐘信號，以此作為計數(shù)閘門信號。當計數(shù)閘門信號為高電平時，允許計數(shù);當計數(shù)閘門信號由高電平變?yōu)榈碗娖剑ㄏ陆笛氐絹恚⿻r，應產(chǎn)生一個鎖存信號，將計數(shù)值保存起來;鎖存數(shù)據(jù)后，還要在下次計數(shù)閘門信號上升沿到來之前產(chǎn)生清零信號CLR，將計數(shù)器清零，為下次計數(shù)作準備。 3.3計數(shù)器的功能模塊及仿真 （1）計數(shù)器的功能模塊： （2）源程序： LIBRARY IEEE; USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; ENTITY JISHU IS PORT (CLK:IN STD_LOGIC; ENA:IN STD_LOGIC; CLR:IN STD_LOGIC; CQ:OUT INTEGER RANGE 0 TO 15; CO:OUT STD_LOGIC); END ENTITY JISHU; ARCHITECTURE ART OF JISHU IS SIGNAL CQI :INTEGER RANGE 0 TO 15; BEGIN PROCESS(CLK,ENA,CLR) IS BEGIN IF CLR= '1' THEN CQI<= 0; ELSIF CLK'EVENT AND CLK='1' THEN IF ENA='1' THEN IF CQI<9 THEN CQI<=CQI+1; ELSE CQI<=0; END IF; END IF; END IF; END PROCESS; PROCESS (CQI) IS BEGIN IF CQI=9 THEN CO<='1'; ELSE CO<= '0'; END IF; END PROCESS; CQ<=CQI; END ARCHITECTURE ART; 該仿真的作用是實現(xiàn)十進制計數(shù)功能。從仿真圖中可以得出，當?shù)谝粋�計數(shù)器計數(shù)輸出CQ=9時，下一秒時鐘上升沿到來時，將產(chǎn)生一個CO進位信號作為下一個計數(shù)器 的時鐘信號，同時CQ清零，依次遞推到8個計數(shù)器。 3.4數(shù)據(jù)鎖存器的功能模塊及仿真 （1）數(shù)據(jù)鎖存器的功能模塊： （2）源程序： LIBRARY IEEE; USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; ENTITY JICUNQI IS PORT(LOAD:IN STD_LOGIC; DIN:IN STD_LOGIC_VECTOR(31 DOWNTO 0); DOUT:OUT STD_LOGIC_VECTOR(31 DOWNTO 0)); END ENTITY JICUNQI; ARCHITECTURE ART OF JICUNQI IS BEGIN PROCESS(LOAD,DIN) IS BEGIN IF LOAD'EVENT AND LOAD='1'THEN DOUT<=DIN; END IF; END PROCESS; END ARCHITECTURE ART; 仿真圖的LOAD信號上升沿到來時將對輸入到內(nèi)部的計數(shù)信號進行鎖存，并將結(jié)果輸出給判決模塊。當輸入信號上升到時就會產(chǎn)生鎖存，否則，不進行鎖存，該仿真在上升沿的時候，將其鎖存起來，直到下個上升沿才會改變鎖存的數(shù)據(jù)。 3.5判決器的功能模塊及仿真 （1）判決器的功能模塊： （2）源程序： LIBRARY IEEE; USE IEEE. STD_LOGIC_1164.ALL; USE IEEE. STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL; ENTITY PANJUE IS PORT(JCLK:IN STD_LOGIC_VECTOR(31 DOWNTO 0); JFIN:IN STD_LOGIC_VECTOR(31 DOWNTO 0); DOUT:OUT STD_LOGIC_VECTOR(31 DOWNTO 0); M:OUT STD_LOGIC; N:OUT STD_LOGIC); END PANJUE ; ..... 分別將頻率測量法和周期測量法的計數(shù)結(jié)果輸入判決模塊，當頻率高于我們換擋頻率（100Hz）時輸出頻率測量法的計數(shù)結(jié)果，并輸出M=0,N=0；當頻率高于我們換擋頻率（100Hz）時輸出周期測量法的計數(shù)結(jié)果，并輸出M=1,N=0;當頻率低于我們1Hz時輸出周期測量法的計數(shù)結(jié)果，并輸出M=1,N=1,此時頻率f=1/N;
3.6綜合設計結(jié)果展示 （1）當被測頻率為1000Hz時：
此時輸出結(jié)果DOUT=1000, M=0,N=0；“DOUT=1000”表示“被測頻率為1000Hz”，“M=0,N=0”表示“頻率測量法的計數(shù)結(jié)果”。 （2）當被測頻率為442Hz時：
此時輸出結(jié)果DOUT=442, M=0,N=0；“DOUT=442”表示“被測頻率為442Hz”，“ M=0,N=0”表示“頻率測量法的計數(shù)結(jié)果”。 （3）當被測頻率為100Hz時：
此時輸出結(jié)果DOUT=100, M=1,N=0；“DOUT=100”表示“被測頻率為100Hz”，“M=1,N=0”表示“周期測量法的計數(shù)結(jié)果”。 （4）當被測頻率為15Hz時：
此時輸出結(jié)果DOUT=15, M=1,N=0；“DOUT=15”表示“被測頻率為15Hz”，“M=1,N=0”表示“周期測量法的計數(shù)結(jié)果”。 （5）當被測頻率為1Hz時：
此時輸出結(jié)果DOUT=1, M=1,N=0；“DOUT=1”表示“被測頻率為1Hz”，“M=1,N=0”表示“周期測量法的計數(shù)結(jié)果”。 （6）當被測頻率為0.2Hz時：
此時輸出結(jié)果DOUT=5, M=1,N=1；“DOUT=5”表示“被測頻率為1/5=0.2Hz”，“M=1,N=1”表示“周期測量法的計數(shù)結(jié)果且頻率低于1Hz”。
四、設計結(jié)果展示調(diào)試參數(shù)分析計算（1）頻率測量法：頻率f=N （2）周期測量法:頻率f=1／T 頻率計的精度與誤差要求：從上述的仿真結(jié)果可以看出，我們的設計方案的結(jié)果與被測頻率符合很好，誤差很��；實際上,測量的脈沖個數(shù)的誤差會在士1 之間。假設所測得的脈沖個數(shù)為N,則所測頻率的最大誤差為δ=1/(N-1) X100%。顯然，減少誤差的方法就是增大N,當待測頻率為換擋頻率100Hz時，誤差理論值為1/100約為1%,則測頻誤差應為1%,隨著被測頻率越高，則誤差越低；當?shù)陀趽Q擋頻率，尤其是當頻率無限接近0Hz時，頻率越接近被測頻率，誤差越小。
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