基于FPGA的数字测频系统

摘  要：针对数字测频技术的发展现状，以及目前常用的数字测频方法，通过使用等精度测频方法，研究并设计了基于FPGA的数字测频系统。

关键词：等精度测频  FPGA

0引言

数字频率计已作为电脑、信息技术电子设备、音频视频系统等科学技术生产领域中不可缺少的重要检测仪器设备。现代电信、卫星、雷达测量和电子对抗措施的发展导致对数字频率测量仪器的要求越来越高。频率表是一种较为普遍、实用的电子测量工具，在科研、学校、家庭等场合得到了广泛的应用。所以其重要性和普适性是毫无疑问的。

1数字测频系统设计流程

本设计采用TLV3502模块对需要采集的信号进行处理，将其转换为方波信号，由FPGA对整形好的信号进行频率测量，通过按键控制串口通信，将最终测量结果通过串口传送至上位机LabVIEW，在LabVIEW中显示测量结果和波形，总体设计框图如图1所示。

2硬件系统介绍

由于FPGA只能对方波信号或者脉冲类信号进行高低电平的计数，所以需要在需要采集信号的输出端加入一个比较器，比较器可用于在宽电压范围内塑造周期性信号，作为时域测量的前端调节模块，如频率和相位差，并将正弦信号转换为方波信号，之后由FPGA进行波形数据的处理，进行等精度测频。同时也用到了串口进行数据的传输，以及按键来控制串口传输数据。

信号整形模块主要负责对需要测量的正弦波信号进行转换，使其变为方便频率计测量的同频率的方波信号。由此模块选择了比较器，比较器就是把模拟电压信号和参考电压相比较的电路。模块中的高速比较器芯片采用TLV3502，其具有4.5ns的快速传播延迟，工作电压在2.7 V～5.5 V之间，超过了供电轨输入共模范围，是低电压下的理想选择。

FPGA芯片选用EP4CE10F17C8，FPGA是一种具有可编程逻辑元件（LE）的集成电路，FPGA的可编程单元已内置在芯片上，可以提供非常灵活的能力。具有高灵活性，低延时，高速运算能力及高集成度等优点。

串口通信模块选用USB转TTL电路，CH340G是一个支持5V或3.3V供电的USB总线的转接芯片。该系统以软件方式实现多路数据的采集处理及各种控制功能，还可完成各种通信协议及数据格式的变换。该设计通用性好。本设备结构简单，便于扩展。由于采用了全数字控制技术，因此可靠性高，抗干扰能力强。并且能够通过外加电平转换器件的方式，能够提供RS232，RS485，RS422接口。

3系统软件设计

设计环境采用软件，测频方法采用等精度测频。计数器1与计数器2为2个可控计数器，标准频率（）信号从计数器1的时钟输入端输入；被测量信号（）经过整形，从计数器2时钟输入端CLK输人。在所述触发电路中，由第一计数器和第二计数器分别对初始设置有多个门数的设定门进行计时；其中，第一计数器和第二计算器根据各自的计时器值计算出相应的预设门信号。计数器的CEN端是用来控制时钟输入的端口。首先，他们两个计数器同时开启，开启后进行对标准信号进行计数或者对被测信号进行计数，此处注意两个计数器要同步进行。并且两个计数器在接收到开启信号后不能立马开始计数，而是要等到D触发器输出的测量信号的上升沿被测量到以后才开始计数。接下来，两个计数器停止时也要根据D触发器输出的测量的信号的高脉冲到来后来进行计数的停止，不能再关门信号到来时就停止计数。

串口通信使用前需进行多种设置，其中最常用的设置有数据位数，波特率，奇偶校验类型，停止位数等。其中波特率是指一个字节中包含多少比特信息的数值。由于测频结果最后是32位的，而且串口数据传输从头到尾都在传输的数据位一次最多为8位，所以此处我们采用了将32位数据分成4次发送的方法，每发送完成8位则将数据位左移八位，直至全部发送完成。除此之外，波特率也是串口传输的需要设置的参数之一，所以设计了一个波特率时钟生成模块，此模块会在串口发送模块中被调用，如果需要不同的波特率则只需直接设置不同与波特率相对应的时钟计数器计数值。

4结论

本文介绍了数字测频系统；说明该课题的研究背景及目的，对需求进行分析，选择合适的硬件电路来完成此次设计，并根据相应的硬件电路编写程序最终实现测频功能和要求。

参考文献：

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[6] 李玉峰，周求湛. 基于虚拟仪器的低频噪声自动测试系统设计[J].半导体技术.2009，34（07）：645～648.

作者简介：

周晓玉（2000.10-）女，汉族，籍贯：河北省衡水人，北华航天工业学院电子与控制工程学院，22级在读研究生，硕士学位，专业：电子信息，研究方向：数据采集

黄浩（1998.6-）男，汉族，籍贯：河北邯郸人，北华航天工业学院电子与控制工程学院，21级在读研究生，硕士学位，专业：电子信息，研究方向：数据采集

郭紫腾（2000.4-）女，汉族，籍贯：河北省保定人，北华航天工业学院电子与控制工程学院，22级在读研究生，硕士学位，专业：电子信息，研究方向：数据采集