等精度测频的原理和基于FPGA的实现

拼搏现实的明天。 2022-06-11 04:06 170阅读 0赞

我们通过FPGA测量信号频率，一般来说有两种方案。传统测频法和等精度测频法。  
方案一：  
传统测频是在一段闸门时间内直接对输入信号的周期进行计数，也被叫做直接测频法。设闸门信号为gate，检测待测信号上升沿，然后判断gate是否为高电平，若为高电平便开始计数。这就存在gate的时间和待测信号周期数可能不成整数倍，导致产生+1hz或-1hz的误差。  
方案二：  
等精度测频可以弥补传统测频的缺点，它保证了闸门时间永远是被测信号周期的整数倍。设预设闸门信号为base，实际闸门信号为gate，检测待测信号上升沿，当base为高电平时，实际闸门打开，gate为高电平，此时两个计数器同时对标准信号和待测信号的周期进行计数。当base为低电平，实际闸门关闭，gate为低电平计数器停止计数。下面的时序图（从别人博客摘过来的，但是他博客里说时从百度摘过来的，原博客看水印）可以很好的说明。  
![这里写图片描述][SouthEast]  
最终由公式：  
待测信号频率/待测信号实际闸门周期数 = 标准信号频率/标准信号实际闸门周期数  
可以得到待测信号的频率。  
结论：  
由等精度测量公式可以知道等精度测频的误差来源于标准信号，而标准信号的频率为50Mhz，可以认为误差足够小，所以可以消除+1hz或-1hz的误差。并且因为等精度测频能够在整个时域保持恒定的误差，所以非常适合用来测量可调位同步时钟信号的频率。

module  FreMeasure(
        input                           clk,
        input                           rst_n,
        input                           Sig_in,
        output  reg [31:0]              Fre
    );
    parameter T_1s = 28'd49_999_999;
    //————————————————————————
    //          预置闸门
    reg [27:0]  TCount;
    always @ (posedge clk or negedge rst_n)
        if(!rst_n)
            TCount <= 28'd0;
        else if(TCount >= T_1s)
            TCount <= 'd0;
        else
            TCount <= TCount + 1'b1;
    
    reg TCountCnt;
    always @ (posedge clk or negedge rst_n)
        if(!rst_n)
            TCountCnt <= 1'b0;
        else if(TCount >= T_1s)
            TCountCnt <= ~TCountCnt;
    
    //————————————————————————
    //          实际闸门
    reg startCnt;
    always @ (posedge Sig_in)
        if(TCountCnt == 1'b1)
            startCnt <= 1'b1;
        else
            startCnt <= 1'b0;
    
    //————————————————————————
    //          在实际闸门中计数
    reg [31:0]  SigTemp;
    always @ (negedge Sig_in)
        if(startCnt == 1'b1)
            SigTemp <= SigTemp + 1'b1;
        else
            SigTemp <= 'd0;
    //————————————————————————
    //          锁存输出
    always @ (negedge startCnt)
        Fre <= SigTemp;
    
    endmodule

[SouthEast]: /images/20220611/bb64b20c7e944c60a8d72e018b71e51b.png