外文翻譯----等精度頻率計

1、<p><b>　　譯文</b></p><p>　　現(xiàn)場可編程門陣列FPGA (F ield P rogrammable Gate A rray) 屬于A S IC 產(chǎn)品, 通過軟件編程對目標(biāo)器件的結(jié)構(gòu)和工作方式進(jìn)行重構(gòu), 能隨時對設(shè)計進(jìn)行調(diào)整, 具有集成度高、結(jié)構(gòu)靈活、開發(fā)周期短、快速可靠性高等特點(diǎn), 數(shù)字設(shè)計在其中快速發(fā)展。重構(gòu)高密度門陣列能勝任許多復(fù)雜的運(yùn)算，在平行而設(shè)傳統(tǒng)

2、的計算機(jī)硬件。他們的特點(diǎn)，使開發(fā)一個硬件系統(tǒng)，專責(zé)表演快速共生矩陣運(yùn)算，從而會議要求，實(shí)時圖像分析的應(yīng)用。 在另一方面，超大規(guī)模集成電路（超大規(guī)模集成電路）架構(gòu)可被視為競爭力的替代品 。不過，他們不是重構(gòu)他們涉及高開發(fā)成本時間長，發(fā)展程序。</p><p>　　數(shù)字頻率計是通信設(shè)備、音、視頻等科研生產(chǎn)領(lǐng)域不可缺少的測量儀器。采用Verilog HDL編程設(shè)計實(shí)現(xiàn)的數(shù)字頻率計，除被測信號的整形部分、鍵輸入部分和數(shù)碼

3、顯示部分外，其余全部在一片F(xiàn)PGA芯片上實(shí)現(xiàn)。整個系統(tǒng)非常精簡，且具有靈活的現(xiàn)場可更改性。</p><p><b>　　等精度測頻原理</b></p><p>　　頻率的測量方法主要分為2 種方法:</p><p>　　(1) 直接測量法, 即在一定的閘門時間內(nèi)測量被測信號的脈沖個數(shù)。</p><p>　　(2) 間接測

4、量法, 例如周期測頻法、V F 轉(zhuǎn)換法等。間接測頻法僅適用測量低頻信號。</p><p>　　基于傳統(tǒng)測頻原理的頻率計的測量精度將隨被測信號頻率的下降而降低, 在實(shí)用中有較大的局限性, 而等精度頻率計不但具有較高的測量精度, 而且在整個頻率區(qū)域能保持恒定的測試精度。頻率測量方法的主要測量預(yù)置門控信號GATE是由單片機(jī)發(fā)出，GATE的時間寬度對測頻精度影響較少，可以在較大的范圍內(nèi)選擇，只要FPGA中32 b計數(shù)器在

5、計100 M信號不溢出都行，根據(jù)理論計算GATE的時間寬度Tc可以大于42．94 s，但是由于單片機(jī)的數(shù)據(jù)處理能力限制，實(shí)際的時間寬度較少，一般可在10～0．1 s間選擇，即在高頻段時，閘門時間較短；低頻時閘門時間較長。這樣閘門時間寬度Tc依據(jù)被測頻率的大小自動調(diào)整測頻，從而實(shí)現(xiàn)量程的自動轉(zhuǎn)換，擴(kuò)大了測頻的量程范圍；實(shí)現(xiàn)了全范圍等精度測量，減少了低頻測量的誤差。</p><p>　　本設(shè)計頻率測量方法的主要測量控

6、制框圖如圖1 所示。圖1 中預(yù)置門控信號GA TE 是由單片機(jī)發(fā)出, GA TE的時間寬度對測頻精度影響較少, 可以在較大的范圍內(nèi)選擇, 只要FPGA 中32 b 計數(shù)器在計100M 信號不溢出都行, 根據(jù)理論計算GA TE 的時間寬度T c 可以大于42194s, 但是由于單片機(jī)的數(shù)據(jù)處理能力限制, 實(shí)際的時間寬度較少, 一般可在10～ 011 s 間選擇, 即在高頻段時, 閘門時間較短; 低頻時閘門時間較長。這樣閘門時間寬度T c

7、依據(jù)被測頻率的大小自動調(diào)整測頻, 從而實(shí)現(xiàn)量程的自動轉(zhuǎn)換, 擴(kuò)大了測頻的量程范圍; 實(shí)現(xiàn)了全范圍等精度測量, 減少了低頻測量的誤差。</p><p><b>　　頻率計的實(shí)現(xiàn)</b></p><p>　　等精度測頻的實(shí)現(xiàn)方法 。可簡化為CNT1和CNT2是兩個可控計數(shù)器，標(biāo)準(zhǔn)頻率(f )信號從CN F1的時鐘輸入端cI K輸入，經(jīng)整形后的被測信號(f )從CNT2的時

8、鐘輸入端cI K輸入。每個計數(shù)器中的CEN輸入端為使能端，用來控制計數(shù)器計數(shù)。當(dāng)預(yù)置閘門信號為高電平(預(yù)置時間開始)時。被測信號的上升沿通過D觸發(fā)器的輸入端，同時啟動兩個汁數(shù)器計數(shù)；同樣，當(dāng)預(yù)置閘門信號為低電平(預(yù)置時間結(jié)束)時，被測信號的上升沿通過D觸發(fā)器的輸出端，使計數(shù)器停止計數(shù)。</p><p>　　頻率計的位數(shù)及相關(guān)指標(biāo) </p><p>　　位數(shù)：同時最多能顯示的數(shù)字位數(shù)。平常計

9、數(shù)式的8位頻率計只有幾百元就可買到。對于高精度的測量，9位剛剛開始，11位算中等，13位才能算比較高級。 </p><p>　　溢出位：把溢出位算進(jìn)去的總等效位。有些頻率計帶有溢出功能，即把最高位溢出不顯示而只顯示后面的位，以便達(dá)到提高位數(shù)的目的。這里個別指標(biāo)是估計值。 </p><p>　　速度：即每秒能出多少位。有了高位數(shù)的但測量特別慢也失去了意義。平常計數(shù)式的8位頻率計，測量10MH

10、z信號、1秒閘門能得到10,000,000Hz，這實(shí)際上才是7位（位數(shù)等于取常用對數(shù)后的值），要想得到8位，需要10秒閘門；要想得到9位，需要100秒閘門，依次類推，即便顯示允許，11位需要10000秒的測量時間了。但無論如何，還是每秒7位。因此，要想快速得到高位數(shù)則必須高速度。 </p><p>　　分辨：這就像一個電壓表最小可以分辨出多大的電壓的指標(biāo)是類似的，越小越好，單位ps（皮秒）。1000ps=1ns。

11、假設(shè)你用1ns的頻率計要分辨出1e-12的誤差，就需要1ns/1e-12=1000秒的時間。而假設(shè)你有另外一個頻率計的分辨是100ps，那么測量時間就可以縮短10倍為100秒，或者可以在相同的1000秒下測量出1e-14的誤差。</p><p><b>　　時間頻率測量</b></p><p>　　相比傳統(tǒng)的電路系統(tǒng)設(shè)計方法，EDA技術(shù)采用VHDL語言描述電路系統(tǒng)，包

12、括電路的結(jié)構(gòu)、行為方式、邏輯功能及接口。Verilog HDL具有多層次描述系統(tǒng)硬件功能的能力，支持自頂向下的設(shè)計特點(diǎn)。設(shè)計者可不必了解硬件結(jié)構(gòu)。從系統(tǒng)設(shè)計入手，在頂層進(jìn)行系統(tǒng)方框圖的劃分和結(jié)構(gòu)設(shè)計，在方框圖一級用Ver-ilog HDL對電路的行為進(jìn)行描述，并進(jìn)行仿真和糾錯，然后在系統(tǒng)一級進(jìn)行驗(yàn)證，最后再用邏輯綜合優(yōu)化工具生成具體的門級邏輯電路的網(wǎng)表，下載到具體的FPGA器件中去，從而實(shí)現(xiàn)FPGA的設(shè)計。</p><

13、;p>　　時間頻率測量是電子測量的重要領(lǐng)域。頻率和時間的測量已越來越受到重視，長度、電壓等參數(shù)也可以轉(zhuǎn)化為與頻率測量有關(guān)的技術(shù)來確定。本文通過對傳統(tǒng)的多周期同步法進(jìn)行探討，提出了多周期同步法與量化時延法相結(jié)合的測頻方法。 </p><p>　　最簡單的測量頻率的方法是直接測頻法。直接測頻法就是在給定的閘門信號中填入脈沖，通過必要的計數(shù)電路，得到填充脈沖的個數(shù)，從而算出待測信號的頻率或周期。在直接測頻的基礎(chǔ)上

14、發(fā)展的多周期同步測量方法，在目前的測頻系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。多周期同步法測頻技術(shù)的實(shí)際閘門時間不是固定的值，而是被測信號的整周期倍，即與被測信號同步，因此消除了對被測信號計數(shù)時產(chǎn)生的±1個字誤差，測量精度大大提高，而且達(dá)到了在整個測量頻段的等精度測量，</p><p>　　在時頻測量方法中，多周期同步法是精度較高的一種，但仍然未解決±1個字的誤差，主要是因?yàn)閷?shí)際閘門邊沿與標(biāo)頻填充脈沖邊沿

15、并不同步</p><p>　　Tx=N0T0-△t2+△t1，如果能準(zhǔn)確測量出短時間間隔Δt1和Δt2，也就能夠準(zhǔn)確測量出時間間隔Tx，消除±1個字的計數(shù)誤差，從而進(jìn)一步提高精度。</p><p>　　為了測量短時間間隔Δt1和Δt2，通常使用模擬內(nèi)插法或游標(biāo)法與多周期同步法結(jié)合使用，雖然精度有很大提高，但終未能解決±1個字的誤差這個根本問題，而且這些方法設(shè)備復(fù)雜，不利

16、于推廣。</p><p>　　要得到精度高，時間響應(yīng)快，結(jié)構(gòu)簡單的頻率和時間測量方法是比較困難的。</p><p>　　從結(jié)構(gòu)盡量簡單同時兼顧精度的角度出發(fā)，將多周期同步法與基于量化時延的短時間間隔測量方法結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了寬頻范圍內(nèi)的等精度高分辨率測量。</p><p>　　量化時延法測短時間間隔 </p><p>　　光電信號可以在一定的介質(zhì)

17、中快速穩(wěn)定的傳播，且在不同的介質(zhì)中有不同的延時。通過將信號所產(chǎn)生的延時進(jìn)行量化，實(shí)現(xiàn)了對短時間間隔的測量。</p><p>　　其基本原理是“串行延遲，并行計數(shù)”，而不同于傳統(tǒng)計數(shù)器的串行計數(shù)方法，即讓信號通過一系列的延時單元，依靠延時單元的延時穩(wěn)定性，在計算機(jī)的控制下對延時狀態(tài)進(jìn)行高速采集與數(shù)據(jù)處理，從而實(shí)現(xiàn)了對短時間間隔的精確測量。</p><p>　　量化時延思想的實(shí)現(xiàn)依賴于延時單元

18、的延時穩(wěn)定性，其分辨率取決于單位延時單元的延遲時間。</p><p>　　作為延時單元的器件可以是無源導(dǎo)線，有源門器件或其他電路。其中，導(dǎo)線的延遲時間較短(接近光速傳播的延遲)，門電路的延遲時間相對較長?？紤]到延遲可預(yù)測能力，最終選擇了CPLD器件，實(shí)現(xiàn)對短時間間隔的測量。 </p><p>　　將短時間間隔的開始信號送入延時鏈中傳播，當(dāng)結(jié)束信號到來時，將此信號在延時鏈中的延時狀態(tài)進(jìn)行鎖存

19、，通過CPU讀取，判斷信號經(jīng)過的延時單元個數(shù)就可以得到短時時間間隔的大小，分辨率決定于單位延時單元的延時時間。</p><p>　　一般來講，為了測量兩個短時間間隔，使用兩組延時和鎖存模塊，但實(shí)際上，給定的軟件閘門時間足夠大，允許CPU完成取數(shù)的操作，即能夠在待測時間間隔結(jié)束之前取走短時間隔Δt1對應(yīng)的延時單元的個數(shù)，通過一定的控制信號，可以只用一組延時和鎖存單元，這樣可以節(jié)省CPLD內(nèi)部的資源。利用多周期同步與

20、量化時延相結(jié)合的方法，計算公式為：</p><p>　　T=n0t0+n1t1-n2t1 </p><p>　　上式中，n0為對填充脈沖的計數(shù)值；t0為填充脈沖的周期，即100ns；n1為短時間隔Δt1對應(yīng)的延時單元的個數(shù)；n2為短時間隔Δt2對應(yīng)的延時單元的個數(shù)；t1為量化延遲器件延時單元的延遲量(4.3ns)。 這樣，利用多周期同步法，實(shí)現(xiàn)了閘門和被測信號同步；利用量化時延法，測量

21、了原來測不出來的兩個短時間間隔，從而準(zhǔn)確地測量了實(shí)際閘門的大小，也就提高了測頻的精度。</p><p>　　由于頻率合成器輸出的頻率信號最小只能調(diào)到10Hz，把XDU-17的測量值作為標(biāo)準(zhǔn)，可以計算出樣機(jī)測頻的精度。</p><p>　　例如，被測信號為15.000010MHz時被測信號為5.00001002MHz時，從上面的計算可以看出，樣機(jī)的分辨率已達(dá)ns量級，下面從理論分析的角度來說

22、明這一點(diǎn)。</p><p>　　前面已經(jīng)分析過，多周期同步法測頻時，它的測量不確定度為：</p><p>　　當(dāng)輸入f0為10MHz，閘門時間為1s時，測量的不確定度為±1×10-7/s。當(dāng)與量化延時測量與短時間間隔電路相結(jié)合時，測量的不確定度可以從下述推導(dǎo)出來。</p><p>　　在采用多周期同步法時，Tx為待測的多周期值，T0為采用的時基周

23、期。</p><p>　　Tx= NT0+△t1-△t2 </p><p>　　與量化延時電路相結(jié)合后有：</p><p>　　Tx= NT0+(N1-N2)td±δTx </p><p>　　這里，δTx為測量的不準(zhǔn)確度。</p><p>　　對上式微分得： \δTx≤±2td </p>

24、;<p>　　由上式可知，此方法的測量精度取決于td，它的穩(wěn)定性與大小直接影響測量值的不確定度。所以采用各種方法，計數(shù)器可在整個頻率量程內(nèi)實(shí)現(xiàn)等精度的測量，而且測量精度有顯著提高，測量分辨率提高到4.3ns，且消除了±1個字的理論誤差，精度提高了20多倍。</p><p>　　結(jié)束語 本文將給出了一種新的測頻方法。基于此方法的頻率計的數(shù)字電路部分集成在一片CPLD中，大大減小了整個儀器

25、的體積，提高了可靠性，且達(dá)到了很高的測量分辨率。</p><p>　　頻率計的VHDL 設(shè)計</p><p>　　利用ALTERA公司的FPGA芯片EPF10K10，使用VHDL編程語言設(shè)計等精度頻率計，給出核心程序，經(jīng)過ISPEXPER仿真后，驗(yàn)證設(shè)計是成功的，達(dá)到預(yù)期結(jié)果。傳統(tǒng)的頻率計相比，F(xiàn)PGA的頻率計簡化了電路板的設(shè)計，提高了系統(tǒng)設(shè)計的實(shí)現(xiàn)性和可靠性，測頻范圍達(dá)到100 MHz，

26、實(shí)現(xiàn)了數(shù)字系統(tǒng)硬件的軟件化，這是數(shù)字邏輯設(shè)計的新趨勢。</p><p>　　本設(shè)計采用AL TERA 公司的FPGA 芯片EPF10K10, 該芯片管腳間的延遲為5 ns, 即頻率為200MHz, 應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)化的硬件描述語言VHDL 有非常豐富的數(shù)據(jù)類型, 他的結(jié)構(gòu)模型是層次化的, 利用這些豐富的數(shù)據(jù)類型和層次化的結(jié)構(gòu)模型, 對復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行邏輯設(shè)計并用計算機(jī)仿真, 逐步完善后進(jìn)行自動綜合生成符合要求的、在電路

27、結(jié)構(gòu)上可實(shí)現(xiàn)的數(shù)字邏輯, 再下載到可編程邏輯器件中, 即可完成設(shè)計任務(wù)。</p><p><b>　　外文文獻(xiàn)原文</b></p><p>　　Field programmable gate array (FPGA F ield P rogrammable Gate A rray) belongs AS IC products through software pro

28、gramming on the target device of the structure and working methods of reconstruction, the design can be adjusted at any time, high integration, structural flexibility, shorter development cycles, rapid and high reliabili

29、ty characteristics of digital design in which rapid development. Reconstruction of high-density gate array will rise to many complex computing, in which the traditiona</p><p>　　Digital Frequency of communica

30、tions equipment, audio and video, and other areas of scientific research and production of an indispensable instrument. Programming using Verilog HDL Design and Implementation of the digital frequency, in addition to the

31、 plastic part of the measured signal, and digital key for a part of the show, all in an FPGA chip to achieve. The entire system is very lean, flexible and have a modification of the scene.</p><p>　　And other

32、 precision measuring frequency Principle</p><p>　　Frequency measurement methods can be divided into two kinds: (1) direct measurement method, that is, at a certain time measurement gate measured pulse

33、signal number. (2) indirect measurements, such as the cycle frequency measurement, VF conversion law. Frequency Measurement indirect measurement method applies only to low-frequency signals.</p><p>　　B

34、ased on the principles of traditional frequency measurement of the frequency of measurement accuracy will be measured with the decline in signal frequency decreases in the more practical limitations, such as the accuracy

35、 and frequency of measurement not only has high accuracy, but also in the whole frequency region to maintain constant test accuracy. The main method of measurement frequency measurement Preferences gated signal GATE issu

36、ed by the MCU, GATE time width on the frequency measurement</p><p>　　Frequency of achieving</p><p>　　Frequency Measurement accuracy of such method. Can be simplified as shown in the diagram. Map

37、 CNT1 and CNT2 two controllable counter, standard frequency (f) signal from the CN F1 clock input cI K input, the signal measured after the plastic (f) CNT2 clock input cI K input. Each counter in the CEN input as enable

38、 end, used to control the counter count. When the gate signal is HIGH Preferences (Preferences start time). Signal measured by the rising edge of the D flip-flop input, launched at the sa</p><p>　　And the me

39、dian frequency of relevant indicators</p><p>　　Median: At the same time the figures show that up to the median. The usual eight-count frequency of only several hundred yuan can buy. For high precision measur

40、ements, nine just beginning, the middle is 11, 13 can be relatively high.      Overflow of:-the ability to promote itself to overflow the equivalent of the total. Some of the frequency with overflow

41、function, which is the highest overflow does not display only shows that the bit behind, in order to achieve the purpose of the median. Here</p><p>　　Time and Frequency Measurement</p><p>　　Comp

42、ared to traditional methods of circuit design, EDA technology uses VHDL language to describe circuit system, including circuit structure, behavior, function and interface logic. Verilog HDL description of a multi-level s

43、ystem hardware functions, and support top-down design features. Designers can not understand the hardware structure. Start from the system design, on the top floor of a system block diagram of the structure and design, i

44、n a diagram with Ver-ilog HDL acts on the circuit descri</p><p>　　In the time-frequency measurement method, the multi-cycle synchronization is a high precision, but still unresolved ± a word error, main

45、ly because of the actual gate edge and standard frequency synchronization is not filling pulse edge Tx=N0T0-△t2+△t1, if accurately measured short interval Δ t1 and Δ t2, will be able to accurately measure time intervals

46、Tx, eliminating ± a word counting error, so as to further enhance accuracy.      To measure a short time interval Δ t1 and Δ t2, commonly used </p><p>　　Delay quantitative thinking

47、depend on the realization of the delay stability delay unit, the unit depends on the resolution of the delay time delay element.      Delay device as a unit can be passive conduit, or other active de

48、vices gate circuit. Among them, Traverse shorter delay time (nearly the speed of light transmission delay), the gate delay time longer. Taking into account delays can be predictive ability final choice of the CPLD device

49、s, the realization of the short time interval measur</p><p>　　It has been anal yzed,multi-cycle synchronization frequency measurement, the measurement uncertainty:      When the input f0

50、 10 MHz, 1 s gate time, the uncertainty of measurement of ±1×10-7/s. When the measurement and quantification of delay circuit with short intervals combined, the uncertainty of measurement can be derived from th

51、e following.     In the use of cycle synchronization, multi-analyte Tx for the cycle value of T0 time base for the introduction of the cycle. Tx= NT0+△t1-△</p><p>　　Frequency of

52、 VHDL Design</p><p>　　ALTERA use of the FPGA chip EPF10K10 companies, the use of VHDL programming language design accuracy of frequency, given the core course, ISPEXPER simulation, design verification is suc

53、cessful, to achieve the desired results. Compared to the traditional frequency, the frequency of FPGA simplify the circuit board design, increased system design and the realization of reliability, frequency measurement r

54、ange of up to 100 MHz and achieve a digital system hardware and software, which is digital logi</p><p>　　This design uses the AL TERA EPF10K10 FPGA chip, the chip pin the delay of 5 ns, frequency of 200 MHz,

55、 the standardization of application VHDL hardware description language has a very rich data types, the structure of the model is hierarchical, The use of these rich data types and levels of the structure model of a compl