基于FPGA及其软核的等精度频率计的制作方法

本实用新型涉及信号检测技术领域，具体涉及一种基于FPGA及其软核的等精度频率计。

背景技术：

伴随着电子工业的不断发展，精准测量各种设备仪器中电路的频率、电压、电流等参数的问题已显得至关重要。在电子技术中，频率与许多电参量的测量方案、测量结果都有十分密切的关系；频率计是一种专门对被测信号频率进行测量的电子测量仪器，能够快速准确地捕捉到被测信号频率的变化。因此，频率计在科研、测量仪器和工业控制等方面都有较广泛的应用。传统的频率计存在结构复杂、稳定性差、精度不高且成本较高等缺陷，而且其单一测频性的特点难以满足实际需求。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于针对现有技术的缺陷和不足，提供一种基于FPGA及其软核的等精度频率计，将等精度频率测量计数电路、数据运算处理电路集成于FPGA芯片中，具有结构简单、运行可靠、高精度测量、性能优越、升级便捷等优点。

为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案是：它包含前置信号调理电路、FPGA主控电路、显示单元，前置信号调理电路与FPGA主控电路连接，FPGA主控电路与显示单元连接，所述的FPGA主控电路包含等精度频率测量计数电路、MicroBlaze软核数据运算处理电路，等精度频率测量计数电路与MicroBlaze软核数据运算处理电路集成于FPGA主控电路中，所述的MicroBlaze软核数据运算处理电路设置有内部总线，等精度频率测量计数电路与MicroBlaze软核数据运算处理电路通过内部总线互相连接。

所述的MicroBlaze软核数据运算处理电路包含内部总线、MicroBlaze、时钟、复位、存储器模块BRAM、定时器Timer、GPIO、UART、Debug，存储器模块BRAM、定时器Timer、GPIO、UART、MicroBlaze的输入端与内部总线连接，MicroBlaze与Debug互相连接。

所述的等精度频率测量计数电路包含选择门、被测信号计数器、标测信号计数器、预置阀门、异步复位、100M晶振，所述的选择门输入端与前置信号调理电路、内部总线连接，输出端与被测信号计数器、标测信号计数器、内部总线连接，所述的预置阀门输入端与内部总线连接，输出端与选择门连接，所述的异步复位输入端与内部总线连接，输出端与被测信号计数器、标测信号计数器连接，所述的100M晶振输出端与被测信号计数器、标测信号计数器连接，所述的被测信号计数器与标测信号计数器的输出端与内部总线连接。

所述的显示单元包含LED运行指示灯、LCD显示模块、上位机SDK显示模块，所述的LED运行指示灯输入端与定时器Timer输出端连接，所述的LCD显示模块输入端与GPIO输出端连接、所述的上位机SDK显示模块输入端与UART输出端连接。

本实用新型的工作原理：它利用Verilog HDL设计实现频率计内部功能模块，采用等精度测量的方法，结合MicroBlaze软核CPU嵌入FPGA以构成SOPC系统，利用MicroBlaze软核对数据运算处理，实现实时显示。此外，调用其自带的IP：MicroBlaze、时钟、复位、存储器模块以及GPIO、UART、定时器、中断组成一个32位的软核；添加用户自定义AXI IP-PLJ模块，该模块实现等精度频率计数据的产生，通过SDK软件开发环境对数据的处理。核心内容是对32位总线数据的读写，通过SDK对相应地址寄存器的置位、复位，即可打开、关闭频率计的闸门时间；进一步通过读取相应地址的总线数据即可在SDK中实现对输入频率的数据处理。显示部分则通过串口将它在SDK自带的串口调试界面打印显示。

采用上述技术方案后，本实用新型有益效果为：它更加灵活、系统体积小和功耗低，具备软硬件在系统可编程的功能，可以充分利用FPGA高速数据采集技术更易实现等精度测频，结构简单、运行可靠、性能优越、升级便捷。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型的结构框图；

图2是本实用新型的原理结构框图；

图3是本实用新型的计数示意图；

图4是本实用新型的等精度测频结构图。

具体实施方式

参看图1-图4所示，本具体实施方式采用的技术方案是：它包含前置信号调理电路、FPGA主控电路、显示单元，前置信号调理电路与FPGA主控电路连接，FPGA主控电路与显示单元连接，所述的FPGA主控电路包含等精度频率测量计数电路、MicroBlaze软核数据运算处理电路，等精度频率测量计数电路与MicroBlaze软核数据运算处理电路集成于FPGA主控电路中，所述的MicroBlaze软核数据运算处理电路设置有内部总线，等精度频率测量计数电路与MicroBlaze软核数据运算处理电路通过内部总线互相连接。所述的MicroBlaze软核数据运算处理电路包含内部总线、MicroBlaze、时钟、复位、存储器模块BRAM、定时器Timer、GPIO、UART、Debug，存储器模块BRAM、定时器Timer、GPIO、UART、MicroBlaze的输入端与内部总线连接，MicroBlaze与Debug互相连接。所述的等精度频率测量计数电路包含选择门、被测信号计数器、标测信号计数器、预置阀门、异步复位、100M晶振，所述的选择门输入端与前置信号调理电路、内部总线连接，输出端与被测信号计数器、标测信号计数器、内部总线连接，所述的预置阀门输入端与内部总线连接，输出端与选择门连接，所述的异步复位输入端与内部总线连接，输出端与被测信号计数器、标测信号计数器连接，所述的100M晶振输出端与被测信号计数器、标测信号计数器连接，所述的被测信号计数器与标测信号计数器的输出端与内部总线连接。所述的显示单元包含LED运行指示灯、LCD显示模块、上位机SDK显示模块，所述的LED运行指示灯输入端与定时器Timer输出端连接，所述的LCD显示模块输入端与GPIO输出端连接、所述的上位机SDK显示模块输入端与UART输出端连接。

被测信号计数器、标测信号计数器的闸门时间是相等的，t1为闸门导通的预置时间，可根据需要进行设置。但是t1不一定是tx的整数倍，因此，必须通过同步及门控电路控制闸门的实际导通时间t1使它为tx的整数倍。在相同的时间t内，被测信号计数器、标测信号计数器分别对fx、fc计数，其结果为Nx=Tfx，Nc=Tfc，即fx=Nxfc/Nc，则：

由于T为Nx周期的整数倍，因而Nx的正负误差为0，即Nx/Nx=0。第三项为频率准确度，若忽略该项误差，则：

显然仅与标测信号计数器对fc计数产生的正负误差有关，而与fx无关。

信号调理电路的主要功能是完成对输入的模拟信号进行放大整形，是仪器系统中重要电路之一，其性能好坏直接制约后续各部分电路的相关指标。由于输入的信号均为高速频率信号，被测信号的频率最高达100MHz。因此，MC10116作为一款超高速三路放大器，其内部集成三级差动放大器，可应用于信号的放大，并且差分放大引入的噪声非常小，能够实现低噪放大。通过偏置电压可以实现施密特触发器功能，可对高速信号整形。

通常，输入信号有效值为10mV-1V、频率为1Hz-100MHz，高频小信号不能由数字系统直接进行处理，要对该信号进行前置调理。首先，本实用新型所设计的调理电路通过场效应管2N5485隔离放大，再通过高频运放MC10116进行整形放大，放大增益达100倍以上，整形后的信号分为两路：一路信号通过微波分频器MB506进行64倍分频用于高频信号的频率测量，另一路未分频信号用于低频信号的频率测量。

本实用新型采用FPGA作为主控芯片，该芯片集成定时器、中断、存储、时钟等多个可编程阵列逻辑器件，逻辑和存储器资源丰富，改变引脚输出很灵活，可以装在系统上后重新编程，I/O数目多、设计建模成本低，具有高达100MHz的外部晶振，处理速度快且运算精度高处理速度极快。同时，用户可将所需功能的模块进行封装，供自行调用，可重复利用率高。

频率计数按照等精度逻辑原理，通过自写程序并封装成模块供MicroBlaze调用。

FPGA结构灵活，其逻辑单元、可编程内部连线和I/O单元都可以由用户编程，可以实现任何逻辑功能，满足各种设计要求。其具有运算速度快、功耗低、通用性强等优点，特别适用于复杂系统设计，在本实用新型中FPGA高效率的实现了片上系统编程。

等精度频率测量模块将所测频率数据传送给MicroBlaze进行处理显示，显示模块采用液晶显示。

以上所述，仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本实用新型的技术方案所做的其它修改或者等同替换，只要不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。