自动转换量程频率计控制器(6)

根据数字频率计的基本原理，本文设计方案的基本思想是分为四个模块来实现其功能，即整个数字频率计系统分为分频模块、计数并自动换挡模块、锁存器模块和译码器模块这几个单元，并且分别用VHDL对其进行编程，实现了闸门控制信号、计数电路、锁存电路、显示电路等。

本设计方案还要求，被测输入信号的频率范围自动切换量程，控制小数点显示位置，并以十进制形式显示。本文详细论述了利用VHDL硬件描述语言设计，并在EDA工具的帮助下，用大规模可编程器件（CPLD）实现数字频率计的设计原理及相关程序。

本设计方案特点是：无论底层还是顶层文件均用VHDL（硬件语言）语言编写，避免了用电路图设计时所引起的毛刺现象；改变了以往数字电路小规模多器件组合的设计方法。整个频率计设计在一块CPLD芯片上，与用其他方法做成的频率计相比，体积更小，性能更可靠。该设计方案对其中部分元件进行编程，实现了闸门控制信号、计数电路、译码显示电路等。频率计的测频范围：0KHz~10MHz。

第四章 数字频率计的设计

4.1 频率计的设计要求与原理

4.1.1 设计要求

设计一个4位十进制数字显示的数字式频率计，其测量范围在10MHz内。量程分10kHz、100kHz、1MHz和10MHz四档,即最大读数分别为9.999kHz、99.99kHz、999.9kHz和9999kHz。这里要求量程能够自动转换，具体要求如下：

(1)当读数大于9999时，频率计处于超量程状态，下一次测量时，量程自动增大1档。

(2)当读数小于0.001时，频率计处于欠量程状态，下一次测量时，量程自动减小1档。

(3)当超过频率测量范围时，报警灯报警。 (4)小数点位置随量程变换自动移位。 4.1.2 频率测量方法及原理

频率的测量有很多测量方法，常用的测频方法大致有一下几种： 根据测频工作原理可将频率测量方法分为以下几类：

一是利用电路的某种频率响应特性来测量频率，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、重量轻、不要求电源等，目前仍获得广泛应用。

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、示波器法和级差频法等均属于这种方法的范畴。拍频法和示波器法主要用于低频段的测量，差频法常用于高频段的频率测量，它的显著优点是测试灵敏度高。

以上两种方法都适合于模拟电路中实现，还有一类目前最广泛使用的计数测频方法则适合于数字电路实现。该方法是依据频率定义，记下单位时间内周期信号的重复次数，又称为电子计数器测频法。

电子计数器测频法又有两种实现方法：直接计数测频法和等精度测频法。直接计数测频法只是简单地记录下单位时间内周期信号的重复次数，其计数值会有+/-1个计数误差。此方法的测量精确度主要取决于基准时间和计数器的计数误差。等精度测频法是在直接测频方法的基础上发展起来的。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，摒除了对被测信号计数所产生的+/-1个计数的误差，并且达到了整个侧频段的等精度测量。本设计采用直接测量发来测量频率。

测频的原理归结成一句话即：在单位时间内对被测信号进行计数。图4.1即说明了测频的原理。

时基信号待测信号丢失（少记一个脉冲）记到7个脉冲多余（比实际多出0.X个脉冲）

图4.1频率计测频原理

由图3-5可知，假设时基信号的值为10kHz，则用此法所测得的待测信号应为10kHz×7=70 kHz。但从图中可以看出，待测信号应该在77kHz左右，误差约有7/77～9.1%。这个误差是比较大的，实际上，测量的脉冲个数的误差会在±1之间。假设测得的脉冲个数为N，则所测频率的最大误差为δ=1/(N-1)×100%。显然，减少误差的方法就是增

大N，N越大误差也就越小。

频率计设计的方框图如4.2所示，由此图可以看出频率计设计的各个模块以及基本过程。

超量程报警电路正弦波信号发生器信号整形电路被测信号计数并且自动换挡QA[3..0]QB[3..0]QC[3..0]QD[3..0]数码寄存器QA[3..0]QB[3..0]QC[3..0]QD[3..0]4位数码译码器A[6..0]B[6..0]C[6..0]D[6..0]控制信号发生电路

图4.2频率计设计方框图

4.2 频率计的硬件设计

4.2.1 电子设计的发展情况

人类社会已进入到高度发达的信息化社会，信息社会的发展离不开电子产品的进步。 现代电子产品在性能提高、复杂度增大的同时，价格却一直呈下降趋势，而且产品更新换代的步伐也越来越快，实现这种进步的主要原因就是生产制造技术和电子设计技术的发展。前者以微细加工技术为代表，目前已进展到深亚微米阶段，可以在几平方厘米的芯片上集成数千万个晶体管，后者的核心就是EDA技术。EDA是指以计算机为工作平台，融合了应用电子技术、计算机技术、智能化技术最新成果而研制成的电子CAD通用软件包，主要能辅助进行三方面的设计工作：IC设计，电子电路设计以及PCB设计。没有EDA技术的支持，想要完成上述超大规模集成电路的设计制造是不可想象的，反过来，生产制造技术的不断进步又必将对EDA技术提出新的要求。

随着电子技术的发展，电子系统的设计方法也发生了很大的变化。传统的设计方法正逐步退出历史舞台，而基于EDA技术的芯片设计正在成为电子系统设计的主流。大规模可编程逻辑器件CPLD/FPGA是当今应用最广泛的两类可编程专用集成电路。可编程逻辑器件是一种由用户编程来实现某种逻辑功能的新型器件，芯片内的逻辑门、触发器等硬件资源可由用户配置来连接实现专用的用户逻辑功能。它是大规模集成电路技术飞速发展与计算机辅助设计、计算机辅助生产和计算机辅助测试相结合的一种产物，是现代数字系统向超高集成度、超低功耗、超小封装和专用化方向发展的重要基础。它的应用和发展不仅简化了电路设计，降低了成本、提高了系统的可靠性和保密性，而且给数字系统的设计方法带来了革命性的变化。

4.3 频率计的软件设计及其仿真

本设计说用到的软件是Max+plusII，用VHDL语言先对每个小模块进行编程仿真，再把那些小模块连接到一起从而构成这个完整的频率计整体。 4.3.1 软件设计的实现

采用VHDL语言设计一个复杂的电路系统，运用自顶向下的设计思想，将系统按功能逐层分割的层次化设计方法进行设计。在顶层对内部各功能块的连接关系和对外的接口关系进行了描述，而功能块的逻辑功能和具体实现形式则由下一层模块来描述。根据频率计的系统原理框图，运用自顶向下的设计思想，设计的系统顶层电路图如图6.2所示。各功能模块采用VHDL语言来描述。

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