在线观看www成人影院-在线观看www日本免费网站-在线观看www视频-在线观看操-欧美18在线-欧美1级

0
  • 聊天消息
  • 系統(tǒng)消息
  • 評論與回復(fù)
登錄后你可以
  • 下載海量資料
  • 學(xué)習(xí)在線課程
  • 觀看技術(shù)視頻
  • 寫文章/發(fā)帖/加入社區(qū)
會員中心
創(chuàng)作中心

完善資料讓更多小伙伴認(rèn)識你,還能領(lǐng)取20積分哦,立即完善>

3天內(nèi)不再提示

數(shù)字頻率計(jì)的三種測頻方法

CHANBAEK ? 來源:頭條號先象社區(qū) ? 作者:頭條號先象社區(qū) ? 2023-03-23 13:18 ? 次閱讀

數(shù)字邏輯器件可分為通用邏輯器件和ASIC兩種類型。從理論上講,應(yīng)用通用邏輯器件(如4000系列和74HC系列)、微處理器和存儲器可以構(gòu)建任何數(shù)字系統(tǒng)。但是,通用邏輯器件的規(guī)模一般都比較小,而且功能固定,在設(shè)計(jì)復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)時(shí)需要使用大量芯片,這會導(dǎo)致系統(tǒng)的體積難以縮小、功耗難以降低,同時(shí)受到器件傳輸延遲和芯片之間布線延遲的影響,使得系統(tǒng)的工作速度難以有效提高。

以2015年電子設(shè)計(jì)競賽題-數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。競賽題目的要求設(shè)計(jì)并制作一臺閘門時(shí)間為1s的數(shù)字頻率計(jì),能夠測量1Hz~100MHz矩形波信號的頻率。要求頻率測量的相對誤差不大于0.01%(10^-4)。

頻率是指周期信號在單位時(shí)間內(nèi)的變化次數(shù)。頻率計(jì)用于測量周期信號的頻率,有直接法、周期法和等精度3種測頻方法。

直接測頻法的原理電路如圖1(a)所示,其中與門的兩個(gè)輸入端分別接被測信號Fx和閘門信號G(Gate signal),與門的輸出作為計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘。由閘門信號G控制計(jì)數(shù)器在固定的時(shí)間范圍內(nèi)統(tǒng)計(jì)被測信號的脈沖數(shù),如圖1(b)所示,脈沖數(shù)與時(shí)間之比即為被測信號的頻率。取閘門信號G的作用時(shí)間為1s時(shí),計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值即為被測信號的頻率值。

pYYBAGQb4SaAdl-6AACKXB6iugo284.jpg

圖1 直接測頻法原理

直接測頻法能夠測量信號頻率的范圍與閘門信號G的作用時(shí)間和計(jì)數(shù)器的容量有關(guān)。當(dāng)閘門信號的作用時(shí)間為1s時(shí),如果需要測量頻率為10kHz的信號時(shí),那么要求計(jì)數(shù)器的容量為10^4,基于中、小規(guī)模通用邏輯器件實(shí)現(xiàn)時(shí)可以應(yīng)用4片十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74HC160級聯(lián)實(shí)現(xiàn)。如果需要將測頻范圍擴(kuò)展為100MHz,在閘門信號的作用時(shí)間同樣為1s的情況下,則要求計(jì)數(shù)器的容量為10^8,這就需要用8片74HC160級聯(lián)實(shí)現(xiàn)。一般地,在閘門信號作用時(shí)間固定的情況下,測量信號頻率的范圍越大,則計(jì)數(shù)所用的芯片越多,因而電路就越復(fù)雜。

當(dāng)計(jì)數(shù)器的容量固定時(shí),雖然可以通過縮短閘門信號的作用時(shí)間來擴(kuò)展頻率測量范圍,但是會降低頻率測量的精度。這是因?yàn)椋谥苯訙y頻法中,閘門信號G的作用時(shí)間是隨機(jī)的,在計(jì)數(shù)過程中可能會存在1個(gè)脈沖的計(jì)數(shù)誤差。

直接測頻法中計(jì)數(shù)誤差的成因分析如圖2所示,其中被測信號Fx1、Fx2和Fx3的頻率完全相同。設(shè)閘門信號G與被測信號Fx1同步,計(jì)數(shù)器在時(shí)鐘脈沖的上升沿工作。

poYBAGQb4SeAV2g0AACRLmp4K_s237.jpg

圖2 直接測頻法誤差成因分析

在閘門信號G的作用下,如果對信號Fx1的計(jì)數(shù)值為N,則對信號Fx2的計(jì)數(shù)值為N-1,對信號Fx3的計(jì)數(shù)值為N+1。所以,取閘門信號的作用時(shí)間為1s時(shí),直接測頻率法的計(jì)數(shù)誤差為±1Hz;取閘門信號的作用時(shí)間為0.1s時(shí),則計(jì)數(shù)誤差為±10Hz。

另外,基于中、小規(guī)模通用邏輯器件設(shè)計(jì)時(shí)還存在一個(gè)問題:頻率計(jì)的測頻范圍受計(jì)數(shù)器芯片性能的限制。查閱NI公司的器件資料可知,74HC160從時(shí)鐘到輸出(clock to Q)的傳輸延遲時(shí)間為18ns,典型工作頻率為40MHz,如圖3所示,極限工作頻率為43MHz。同時(shí),應(yīng)用多片74HC160級聯(lián)擴(kuò)展計(jì)數(shù)容量時(shí),還需要考慮芯片與芯片之間布線傳輸延遲的影響。因此,雖然用8片74HC160級聯(lián)理論上能夠擴(kuò)展出108進(jìn)制計(jì)數(shù)器,但實(shí)際上卻無法測量40MHz以上信號的頻率。

pYYBAGQb4SiABIAsAAHo_sEGBzQ117.jpg

圖3 74HC160 器件資料片段

直接測頻法的原理簡單,但是由于理論上存在一個(gè)脈沖的計(jì)數(shù)誤差,所以被測信號的頻率越低,直接測頻法的相對誤差越大,存在著測量實(shí)時(shí)性和測量精度之間的矛盾。例如,取閘門信號的作用時(shí)間為1s,當(dāng)被測信號的頻率為1000Hz時(shí),理論上頻率測量的相對誤差為0.1%,而當(dāng)被測信號的頻率為10Hz時(shí),則頻率測量的相對誤差高達(dá)10%。

應(yīng)用直接測頻法雖然可以通過增加閘門信號的作用時(shí)間來減小測頻誤差,但是,對于頻率為10Hz的信號,若要求頻率測量的相對誤差不大于0.01%,則閘門信號的作用時(shí)間最短為1000s。顯然,這么長的測量時(shí)間是無法接受的,所以直接測頻法不適合測量低頻信號的頻率。

從圖2可以看出,如果能夠控制閘門信號G與被測信號FX同步,那么就能夠消除計(jì)數(shù)誤差,因而從理論上講,頻率測量的相對誤差為0。

等精度測頻法就是通過控制閘門信號與被測信號同步從而消除了計(jì)數(shù)誤差,其原理電路如圖4所示,將閘門信號G作為邊沿D觸發(fā)器的輸入,被測信號Fx作為D觸發(fā)器的時(shí)鐘脈沖時(shí),D觸發(fā)器輸出的新閘門信號SG(Synchronous Gate signal)與Fx同步。

poYBAGQb4SmATdRoAAByRLbRHvg541.jpg

圖4 等精度測頻法原理電路

等精度測頻法的工作原理是:當(dāng)閘門信號G跳變?yōu)楦唠娖綍r(shí),只有當(dāng)被測信號FX的上升沿到來時(shí)D觸發(fā)器輸出的新閘門信號SG才能跳變?yōu)楦唠娖?當(dāng)閘門信號G跳變?yōu)榈碗娖綍r(shí),同樣只有當(dāng)被測信號Fx的上升沿到來時(shí)D觸發(fā)器輸出的新閘門信號SG才能跳變?yōu)榈碗娖健R虼耍珼觸發(fā)器輸出的新閘門信號SG與被測信號Fx嚴(yán)格同步,所以用新閘門信號控制計(jì)數(shù)器時(shí),就能夠消除計(jì)數(shù)誤差。但是,由于新閘門信號SG的作用時(shí)間受被測信號Fx的控制,雖然取原閘門信號G的作用時(shí)間為1s,但新閘門信號的作用時(shí)間不一定為1s,因而計(jì)數(shù)器N中的計(jì)數(shù)值并不能代表被測信號的頻率值。改進(jìn)的方法是,再添加一個(gè)與門和計(jì)數(shù)器M,在新閘門信號SG的作用時(shí)間內(nèi)同時(shí)對被測信號Fx和一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)頻率信號Fs進(jìn)行計(jì)數(shù),應(yīng)用兩個(gè)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)時(shí)間完全相同的關(guān)系推算出被測信號的頻率值。

等精度測頻法被測信號頻率的計(jì)算原理如圖5所示。若將新閘門信號SG的作用時(shí)間記為TD,標(biāo)準(zhǔn)頻率信號Fs的周期記為Ts,被測信號Fx的周期記為Tx,在TD時(shí)間內(nèi)對標(biāo)準(zhǔn)頻率信號和被測信號的計(jì)數(shù)值分別記為Ns和Nx,則閘門信號SG的作用時(shí)間TD可以精確地表示為

TD=Nx×Tx

poYBAGQb4SqAGtwHAAB-Pyr4ha0033.jpg

圖5 等精度測頻法工作波形

雖然D觸發(fā)器輸出的新閘門信號SG與被測信號Fx嚴(yán)格同步,但并不一定與標(biāo)準(zhǔn)頻率信號Fs同步,所以從理論上講,在TD時(shí)間內(nèi)對標(biāo)準(zhǔn)信號進(jìn)行計(jì)數(shù),仍然可能存在一個(gè)脈沖的計(jì)數(shù)誤差。因此,若用Ns×Ts表示TD時(shí),則

TD≈Ns×Ts

如果取標(biāo)準(zhǔn)信號的頻率很高,使得Ts<

Ns×Ts≈Nx×Tx

若將標(biāo)準(zhǔn)頻率信號和被測信號的頻率分別用fs和fx表示,并將Ts=1/fs和Tx=1/fx代入上式整理可得

fx≈(Nx/Ns)×fs

其中,Ns和Nx分別為兩個(gè)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值。根據(jù)上式即可計(jì)算出被測信號的頻率值。下面對等精度測頻的相對誤差進(jìn)行分析。

設(shè)用Ns×Ts表示TD的誤差記為△t,則

△t=TD-Ns×Ts

設(shè)被測信號頻率的精確值記為fx0。由于TD=Nx×Tx0,所以fx0=Nx/TD,因此頻率測量的相對誤差δ可以表示為

δ =(fx-fx0)/fx0=fx/fx0-1

≈(fs×Nx/Ns) /(Nx/TD) -1

=TD/(Ts×Ns)-1

=(TD-Ts×Ns)/(Ts×Ns)

=△t/(Ts×Ns)

=△t/(TD-△t)

由于△t最大為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)頻率信號的周期,所以標(biāo)準(zhǔn)頻率信號的周期Ts<

δ≈Ts/TD

由上式可以看出,等精度測頻法頻率測量的相對誤差與被測信號的頻率無關(guān),只取決于標(biāo)準(zhǔn)信號周期Ts與新閘門信號SG作用時(shí)間TD的比值。因此,取標(biāo)準(zhǔn)信號的頻率越高,或者閘門信號的作用時(shí)間越長,則頻率測量的相對誤差就越小。

采用100MHz標(biāo)準(zhǔn)信號時(shí),閘門信號的作用時(shí)間TD與測頻的相對誤差δ之間的關(guān)系如表1所示。可以看出,當(dāng)閘門信號SG的作用時(shí)間為1s時(shí),頻率測量的相對誤差約為0.000001%(10^-8),完全滿足競賽題目的精度要求。

表1 閘門信號作用時(shí)間與頻率測量誤差關(guān)系表

pYYBAGQb4SuAdEa1AAB2vXYo2_I984.jpg

等精度測頻法頻率測量的精度很高,但是需要應(yīng)用乘法和除法運(yùn)算來計(jì)算被測信號的頻率值。取閘門信號G的作用時(shí)間為1s、標(biāo)準(zhǔn)信號的頻率為100MHz時(shí),如果要求能夠測量100MHz信號的頻率時(shí),不但需要應(yīng)用27位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器(因?yàn)?26<108<227)分別對被測信號Fx和標(biāo)準(zhǔn)頻率信號Fs進(jìn)行計(jì)數(shù),還需要應(yīng)用27位二進(jìn)制乘法器和54位二進(jìn)制除法器來計(jì)算被測信號的頻率值。若應(yīng)用74系列中、小規(guī)模通用邏輯器件來搭建27位乘法器和54位除法器,其電路的復(fù)雜程度是難以想象的。

那么,如何實(shí)現(xiàn)等精度頻率測量呢?提供以下3種方案:

(1)基于微控制器和PLD實(shí)現(xiàn)。

應(yīng)用MCS-51、MSP430或者STM32等系列微控制器雖然計(jì)算乘除法很方便,但是對高頻信號進(jìn)行計(jì)數(shù)則相對困難。若應(yīng)用微控制器內(nèi)部的計(jì)數(shù)/定時(shí)器來統(tǒng)計(jì)被測信號和標(biāo)準(zhǔn)信號的計(jì)數(shù)值,則會受到內(nèi)部計(jì)數(shù)/定時(shí)器性能的限制,很難有效測量MHz級及以上信號的頻率。

如果在微控制器外圍擴(kuò)展中規(guī)模集成計(jì)數(shù)器(如74HC161)進(jìn)行計(jì)數(shù),然后通過I/O口讀取被測信號和標(biāo)準(zhǔn)信號的計(jì)數(shù)值,通過編程計(jì)算被測信號的頻率值,不但外圍電路復(fù)雜,而且同樣會受集成計(jì)數(shù)器芯片性能的限制,測頻范圍難以有效擴(kuò)展。因此,推薦應(yīng)用可編程邏輯器件CPLD或者FPGA進(jìn)行計(jì)數(shù),基于微處理器計(jì)算乘除法。

(2)應(yīng)用EDA技術(shù),基于IP核實(shí)現(xiàn)。

應(yīng)用EDA技術(shù)實(shí)現(xiàn)等精度頻率計(jì)時(shí),可以直接用硬件描述語言描述所需要的計(jì)數(shù)器,然后在可編程邏輯器件中實(shí)現(xiàn),不但不會受到具體器件功能的限制,而且計(jì)數(shù)器能夠正常工作的最高頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過100MHz。另外,還可以定制EDA軟件中的乘法IP和除法IP來實(shí)現(xiàn)乘除法運(yùn)算,只需要將計(jì)算得到的二進(jìn)制頻率值轉(zhuǎn)換為BCD碼顯示即可。

(3)應(yīng)用EDA技術(shù),基于片上系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

在FPGA中搭建軟核處理器系統(tǒng)或者直接應(yīng)用片內(nèi)硬核處理器,用硬件描述語言描述所需要的計(jì)數(shù)器,應(yīng)用片上處理器控制測頻過程,計(jì)算乘除法以及頻率轉(zhuǎn)換值與顯示。

綜上分析,要解決電子競賽中數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)問題,無論采用以上哪種方案設(shè)計(jì)等精度頻率計(jì),都必須應(yīng)用EDA技術(shù)。

另外,等精度頻率計(jì)雖然測頻范圍寬,而且精度高,但測試表明,在閘門作用時(shí)間為1s的情況下,還不能滿足1Hz信號頻率測量的精度要求。為此,還需要設(shè)計(jì)周期法頻率計(jì),與直接法頻率計(jì)或者等精度頻率計(jì)相配合,才能實(shí)現(xiàn)滿足競賽精度要求的1Hz~100MHz頻率計(jì),而設(shè)計(jì)周期法頻率計(jì)需要應(yīng)用圖6所示的狀態(tài)機(jī)來統(tǒng)計(jì)被測信號兩個(gè)相鄰脈沖之間的脈沖數(shù),然后通過脈沖數(shù)計(jì)算出被測信號的周期,再根據(jù)頻率與周期之間的倒數(shù)關(guān)系應(yīng)用除法計(jì)算出頻率值,同樣需要學(xué)習(xí)EDA技術(shù)。

poYBAGQb4SyAK2P9AAAZGV492rs239.jpg

圖6 周期測量狀態(tài)機(jī)

聲明:本文內(nèi)容及配圖由入駐作者撰寫或者入駐合作網(wǎng)站授權(quán)轉(zhuǎn)載。文章觀點(diǎn)僅代表作者本人,不代表電子發(fā)燒友網(wǎng)立場。文章及其配圖僅供工程師學(xué)習(xí)之用,如有內(nèi)容侵權(quán)或者其他違規(guī)問題,請聯(lián)系本站處理。 舉報(bào)投訴
  • FPGA
    +關(guān)注

    關(guān)注

    1643

    文章

    21974

    瀏覽量

    614400
  • asic
    +關(guān)注

    關(guān)注

    34

    文章

    1243

    瀏覽量

    122017
  • 微處理器
    +關(guān)注

    關(guān)注

    11

    文章

    2372

    瀏覽量

    83875
  • 邏輯器件
    +關(guān)注

    關(guān)注

    0

    文章

    88

    瀏覽量

    20348
  • 數(shù)字頻率計(jì)

    關(guān)注

    17

    文章

    104

    瀏覽量

    36048
收藏 人收藏

    評論

    相關(guān)推薦
    熱點(diǎn)推薦

    請問怎樣去設(shè)計(jì)一基于VHDL語言的數(shù)字頻率計(jì)

    什么是測法?怎樣去設(shè)計(jì)一基于VHDL語言的數(shù)字頻率計(jì)?如何對基于VHDL語言的數(shù)字頻率計(jì)進(jìn)行仿真?
    發(fā)表于 08-17 06:11

    數(shù)字頻率計(jì)頻率的基本原理

    了解數(shù)字頻率計(jì)頻率與測周期的基本原理;熟練掌握數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)與調(diào)試方法及減小測量誤差的方法。[重點(diǎn)與難點(diǎn)]重點(diǎn):
    發(fā)表于 12-01 14:36 ?525次下載
    <b class='flag-5'>數(shù)字頻率計(jì)</b>測<b class='flag-5'>頻率</b>的基本原理

    簡易數(shù)字頻率計(jì)課程設(shè)計(jì)報(bào)告

    簡易數(shù)字頻率計(jì)課程設(shè)計(jì)報(bào)告
    發(fā)表于 08-10 11:45 ?0次下載

    數(shù)字頻率計(jì)電路圖

    數(shù)字頻率計(jì)電路圖
    發(fā)表于 04-11 11:30 ?5894次閱讀
    <b class='flag-5'>數(shù)字頻率計(jì)</b>電路圖

    數(shù)字頻率計(jì)電路圖

    數(shù)字頻率計(jì)電路圖
    發(fā)表于 04-11 11:31 ?2410次閱讀
    <b class='flag-5'>數(shù)字頻率計(jì)</b>電路圖

    數(shù)字頻率計(jì)

    數(shù)字頻率計(jì)是一基礎(chǔ)測量儀器,到目前為止已有30多年的發(fā)展史。早期,設(shè)計(jì)師們追求的目標(biāo)主要是擴(kuò)展測量范圍,再加上提高測量精度、穩(wěn)定度等,這些也是人們衡量數(shù)字頻率計(jì)
    發(fā)表于 04-07 13:40 ?939次下載

    設(shè)計(jì)簡易數(shù)字頻率計(jì)

    頻率測量用途非常廣泛,高精度、寬量程的數(shù)字頻率計(jì)因而成為重要的測量儀器。簡易 數(shù)字頻率計(jì) 采用多周期測量原理,即用標(biāo)準(zhǔn)頻率信號填充整數(shù)個(gè)周期的被測信號,從而消除了被
    發(fā)表于 06-28 17:31 ?1210次下載
    設(shè)計(jì)簡易<b class='flag-5'>數(shù)字頻率計(jì)</b>

    數(shù)字頻率計(jì)的制作

    數(shù)字頻率計(jì)是采用數(shù)字電路制做成的能實(shí)現(xiàn)對周期性變化信號頻率測量的儀器。頻率計(jì)主要用于測量正弦波、矩形波、角波和尖脈沖等周期信號的
    發(fā)表于 11-20 14:55 ?168次下載

    基于verilog語言的數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì)

    基于verilog語言的數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì)基于verilog語言的數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì)基于verilog語言的數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì)基于verilog語言的數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì)
    發(fā)表于 12-08 15:57 ?0次下載

    簡易數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì)

    設(shè)計(jì)簡易數(shù)字頻率計(jì),想學(xué)習(xí)的趕緊下載看看。
    發(fā)表于 12-14 17:40 ?132次下載

    數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì)論文

    數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì)的論文,可以參考,對畢設(shè)有用的。
    發(fā)表于 05-06 10:25 ?118次下載

    基于Multisim的數(shù)字頻率計(jì)

    簡單的基于Multisim的數(shù)字頻率計(jì)資料。
    發(fā)表于 06-21 17:02 ?286次下載

    DDS脈沖數(shù)字頻率計(jì)

    DDS脈沖。數(shù)字頻率計(jì)
    發(fā)表于 05-18 09:31 ?7次下載

    基于FPGA數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)

    數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì)要點(diǎn),代碼(電子設(shè)計(jì)競賽編程、寫論文時(shí)可用)
    發(fā)表于 08-04 09:19 ?50次下載

    微波數(shù)字頻率計(jì)的基本工作原理是什么?

    微波數(shù)字頻率計(jì)的基本工作原理是什么? 微波數(shù)字頻率計(jì)是一用于測量微波信號頻率的儀器。它通過將輸入信號與參考信號混合,然后通過數(shù)字處理技術(shù)來
    的頭像 發(fā)表于 12-21 15:37 ?1181次閱讀
    主站蜘蛛池模板: 男女同床爽爽视频免费 | 蜜色网 | 色视视频| 韩国最新三级网站在线播放 | 日本人爽p大片免费看 | 亚洲视频二 | 四虎在线观看免费视频 | 免费国产在线视频 | 性xxxxfreexxxxx国产 | 深夜影院一级毛片 | 人人人草| 亚洲黄色小视频 | 五月婷婷之婷婷 | h黄网站| 免费在线观看你懂的 | 天天干天天操天天玩 | 搞逼综合网 | 天天操天天曰 | 国产成人精品亚洲 | 免费一级特黄特色黄大任片 | 91噜噜噜 | 性性性性bbbbxxxx | 拍拍拍无挡视频免费全程1000 | 啪视频免费 | 亚洲福利一区 | 久久五月天婷婷 | 中国毛茸茸bbxx | 午夜寂寞在线一级观看免费 | 国产一级aaa全黄毛片 | 国产美女特级嫩嫩嫩bbb | 欧美色图亚洲 | 国产日韩精品一区二区在线观看 | 毛片免费看网站 | 欧美性色xo影院69 | 天天综合天天看夜夜添狠狠玩 | 天天碰天天| 99久久99久久免费精品蜜桃 | 亚洲人成网站色7777 | 国产免费一区二区三区香蕉精 | 婷婷五月天.com | 福利片免费一区二区三区 |