3.5.4頻率計數電路

計數的功能是在FPGA中實現。計數電路我們采用門控計數法測，它由門控電路和計數電路構成。根據門控計數法測量原理：

時間、頻率量的特點

頻率是在時間軸上無限延伸的，因此，對頻率量的測量需確定一個取樣時間T，在該時間內對被測信號的周期累加計數(若計數值為N)，根據fx =N/T得到頻率值。為實現時間(這里指時間間隔)的數字化測量，需將被測時間按盡可能小的時間單位(稱為時標)進行量化，通過累計被測時間內所包含的時間單位數(計數)得到。

測量原理

將需累加計數的信號(頻率測量時為被測信號，時間測量時為時標信號)，由一個“閘門”(主門)控制，并由一個“門控”信號控制閘門的開啟(計數允許)與關閉(計數停止)。

3.5.4.1門控電路

由前文設計分析中可以看出，提高頻率測量精度應該從兩個方面入手，除了設置可變分頻比的信號預分頻方法外，適當延長頻率計數模塊計數時長，也可以達到提高頻率測量精度的目的。所以在設計中，我們同時使用這兩種方法完成頻率測量設計。由于頻率計數模塊計數時長決定了頻率測量的響應速度，為了保證測量響應速度不至于太慢，導致用戶使用不便以及測量數據失去實時性，我們使用的該頻率的測量是對1s門內的信號進行計數。頻率是單位時間內信號的個數，故計數器得到的計數值即為信號的頻率測量值。除了頻率測量中的±1誤差，對于測量高頻信號的頻率，門控信號的精度是頻率測量中的關鍵部分，直接影響到頻率的測量精度。所以，在該方案中，門控信號是由高精度的晶振分頻產生，并使用溫度傳感器，對頻率的測量進行溫度校準。其門控電路在FPGA中的實現，電路如下圖3-24.門控電路主要由8個10進制計數器級聯對100MHz時鐘進行分頻。時鐘頻率為100MHz，則(100×10 6 /10 8)=1s，產生1秒的門控。

3.5.4.2計數電路

信號和門控信號相與。當門控選通后，信號被選通進入計數電路。由于前面的預分頻電路的采用可變分頻比，這里暫已1：256分頻比為例，閘門時間為1秒，則對設計最高頻率的信號，計數器計數23437500個脈沖，則應該設計25位的二進制計數器。將被計數時鐘信號同計數使能信號，計數使能信號經非門的反轉信號一起相與，并送入計數器計數時鐘輸入端，實現多周期同步頻率計數法。同時，利用門控信號的下降沿觸發D觸發器，使觸發器輸出從低到高翻轉，作為一次計數完成的標志信號，通過讀取該標志，以確認一次頻率測量的完成。

3.5.4.3溫度傳感器

影響頻率計數器精度的關鍵是門控信號的精度。門控信號是由晶振分頻得到的，晶振是決定門控信號的關鍵因素。晶振的誤差主要是受到溫度影響，導致晶振的頻率的偏差。為了得到準確的門控信號，在該設計中加入溫度傳感器，通過獲得當前晶振的環境溫度，對晶振的溫度進行補償。

溫度補償選用的是Analog公司的AD7416溫度傳感器。它的測量溫度范圍為-45～125℃，精確可達到0.25℃。溫度傳感器內部包括傳感器，10位的A/D轉換器，并包括地址指針寄存器、溫度值寄存器、T OTI點設置寄存器、T HYST點設置寄存器和配置寄存器等一些可編程的寄存器。通過對T OTI和T HYST設置，可以限制最高溫度值。通過編程地址指針寄存器和配置寄存器可以實現對每個寄存器的控制。傳感器對周圍溫度進行測量。A/D轉換器將獲得的溫度值轉換成數字信號存儲在溫度值寄存器內。如下表3-3所示，被測溫度與數字輸出的對應關系，讀取溫度值寄存器就可獲得最后測得的當前環境溫度。

3.5.4.4頻率計數誤差分析

系統頻率測量誤差的主要來源為：計數誤差、觸發誤差、標準頻率誤差。

量化誤差的產生原因是，在測頻是由于標準閘門時間信號與被測信號脈沖之間沒有必然的聯系，他們在時間關系上是完全任意的，或者說他們在時間軸上的相對位置是隨機的。這就造成了閘門開啟和關閉的時間與被測信號不同步，使得在閘門開始和結束時刻有一部分時間零頭沒有被計算在內而造成的測量誤差。