数字式相位、频率仪设计

摘? 要 数字频率计和相位计是数字电路中的一个典型应用，实际的硬件设计用到的器件较多，而且会产生比较大的延时，造成测量误差、可靠性差。传统的数字频率计和相位计一般是由分离元件搭接而成，随着单片机的大规模的应用，单片机在频率测量方面也越来越多的被使用，出现了不少用单片机控制的频率测量系统。相对于以前用分离元件搭接起来的频率测量系统，单片机控制的频率测量系统在频率测量范围、频率测量精度和频率测量速度上都有了很大的提高，但由于单片机先天性的限制(如单片机工作频率的限制、单片机内部计数器位数的限制)，由单片机控制的频率测量系统无法在测量范围、测量精度和测量速度上取得重大突破，若再增加别的器件，以弥补单片机的不足，不仅会大大增加系统的复杂性，而且也不利于系统的集成化。随着可编程ASIC的广泛应用，以EDA工具作为开发手段，基于VHDL语言的设计方法，将使整个系统大大简化，提高整体的性能和可靠性。????? 关键词: 相位测量；频率测量；VHDL语言；FPGA器件 概述 随着电子技术的飞速发展，各类分立电子元件及其所构成的相关功能单元，已逐步被功能更强大、性能更稳定、使用更方便的集成芯片所取代。由集成芯片和一些外围电路构成的各种自动控制、自动测量、自动显示电路遍及各种电子产品和设备。数字系统和数字设备已广泛应用于各个领域，更新换代速度可谓日新月异。 在电子系统非常广泛的应用领域内，到处可见到处理离散信息的数字电路。供消费用的微波炉和电视、先进的工业控制系统、空间通讯系统、交通控制雷达系统、医院急救系统等在设计过程中无一不用到数字技术。数字电路制造工业的进步，使得系统设计人员能在更小的空间内实现更多的功能，从而提高系统可靠性和速度。 在最近几年，用户对数字频率、相位计也提出了新的要求。对于低档产品要求使用操作方便，量程（足够）宽，可靠性高，价格低；而对于中高档产品， 则要求有高分辨率，高精度，高稳定度，高测量速率；除通常通用计数器所具有的功能外，还要有数据处理功能，统计分析功能，时域分析功能等等，或者包含电压测量等其他功能。这些要求有的已经实现或者部分实现，但要真正完美的实现这些目标，对于生产厂家来说，还有许多工作要做，而不是表面看来似乎发展到头了。 频率和相位测量仪是实验室、计量室和科研、生产中最为常用的测量仪器之一。根据目前测量仪器的发展趋势，设计和制造体积小、成本低、自动化和数字化程度高以及操作简单、便携的测量仪器显得十分必要。 电子技术中，频率和相位是最基本的参数之一，并且与许多电参量的测量方案、测量结果都有十分密切的关系，因此，它们的测量就显得更为重要。测量频率、相位的方法有多种,其中电子计数器测量频率具有精度高、使用方便、测量迅速，以及便于实现测量过程自.动化等优点，是频率测量的重要手段之一。 ??? 在我们的日常生活中，频率和相位的测量无处不在，已经成为广大群众所熟悉的物理量。调节收音机上的频率旋钮可以使你选听到你所喜欢的电台节目；调节电视机上的微调按钮可以使电视机对准电视台的广播频率，获得图像清晰的收看效果，这已成为人们的日常生活常识。在现代高科技中，频率和相位的测量更是显得尤为重要。例如，邮电通信、大地测量，地震预报，人造卫星、宇宙飞船、航天飞机的导航定位控制都于频率和相位息息相关，只是其精密度和准确度比人们日常生活中的要求要高得多罢了。 由此可见，频率和相位的测试是相当重要的，快速准确的测试频率不但为我们节约了时间，还让我们获得了精确了数据。而且，在军事方面，一种能够快速响应并且测试出数据的仪器，更是给我们的国防科技方面带来了莫大的好处。所以，频率、相位计的生产需求是巨大的，在未来将会保持一种快速的增长趋势。 1.2课题的背景、目的及意义 数字频率计是数字电路中的一个典型应用，实际的硬件设计用到的器件较多，而且会产生比较大的延时，造成测量误差、可靠性差。传统的数字频率计一般是由分离元件搭接而成，随着单片机的大规模的应用，单片机在频率测量方面也越来越多的被使用，出现了不少用单片机控制的频率测量系统。相对于以前用分离元件搭接起来的频率测量系统，单片机控制的频率测量系统在频率测量范围、频率测量精度和频率测量速度上都有了很大的提高，但由于单片机先天性的限制(如单片机工作频率的限制、单片机内部计数器位数的限制)，由单片机控制的频率测量系统无法在频率测量范围、频率测量精度和频率测量速度上取得重大突破，若再增加别的器件，以弥补单片机的不足，不仅会大大增加系统的复杂性，而且也不利于系统的集成化。随着可编程ASIC的广泛应用，以EDA工具作为开发手段，基于VHDL语言的设计方法，将使整个系统大大简化，提高整体的性能和可靠性。 FPGA是新型的可编程逻辑器件，能够将大量的逻辑功能集成于一个单个器件中，它所提供的门数从几百门到上百万门，可以满足不同的需要。因此用FPGA来实现数字频率计从根本上解决了单片机的先天性限制问题。与以往的数字频率计相比，用FPGA来实现数字频率计有集成度高、易于升级、换代，灵活适用于各种场合、符合系统芯片(SOC，System on A Chip)的发展要求等诸多优点。 频率测量仪是实验室、计量室和科研、生产中最为常用的测量仪器之一。根据目前测量仪器的发展趋势，设计和制造体积小、成本低、自动化和数字化程度高以及操作简单、便携的测量仪器显得十分必要。 随着计算机与微电子技术的发展，电子设计自动化EDA和可编程逻辑器件PLD的发展都非常迅速，熟练地利用EDA软件进行PLD器件开发已成为电子工程师必须掌握的基本技能。先进的EDA工具已经从传统的自下而上的设计方法改变为自顶向下的设计方法，以硬件描述语言HDL（Hardware Description Language）来描述系统级设计，并支持系统仿真和高层综合。这就要求我们能够掌握一些常用的EDA工具，了解复杂数字系统的设计思路并能主动深入地学习HDL语言。 1.3任务要求 设计内容 ?? 对相位、频率参数的测量方法进行理论分析，使用FPGA设计频率计和相位计，通过硬件仿真实现该电路。 1.2设计要求 ??? 通过对设计题目的研究和分析，可以得出以下设计要求 1.频率测试部分： (1)频率测量范围1Hz～1MHz； ??? (2)全量程测量精度≤1%； ??? (3)快速自动选择量程； ?? ?(4)可以显示出测量数值； 2.相位测试部分： (1)测试双路同频信号之间的相位差； (2)测量精度为1°。