基于FPGA的高速高精度频率测量的研 - FPGA/ASIC技术 -

摘要：以FPGA为核心的高速高精度的频率测量，不同于常用测频法和测周期法。本文介绍的测频方法，不仅消除了直接测频方法中对测量频率需要采用分段测试的局际，而且在整个测试频段内能够保持高精度不变。又由于采用FPGA芯片来实现频率测量，因而具有高集成度、高速和高可靠性的特点。
关键词：频率 测量 FPGA 高精度

引言

在电子测量技术中，测频是最基本的测量之一。常用的直接测频方法在实用中有较大的局限性，其测量精度随着被测信号频率的下降而降低，并且对被测信号的计数要产生±1个数字误差。采用等精度频率测量方法具有测量精度，测量精度保持恒定，不随所测信号的变化而变化；并且结合现场可编程门阵列FPGA（Field Programmable Gate Array）具有集成度高、高速和高可靠性的特点，使频率的测频范围可达到0.1Hz～100MHz，测频全域相对误差恒为1/1 000 000，

1 测频原理及误差分析

常用的直接测频方法主要有测频法和测周期法两种。测频法就是在确定的闸门时间Tw内，记录被测信号的变化周期数（或脉冲个数）Nx，则被测信号的频率为：fx=Nx/Tw。测周期法需要有标准信号的频率fs，在待测信号的一个周期Tx内，记录标准频率的周期数Ns，则被测信号的频率为：fx=fs/Ns。这两种方法的计数值会产生±1个字误差，并且测试精度与计数器中记录的数值Nx或Ns有关。为了保证测试精度，一般对于低频信号采用测周期法；对于高频信号采用测频法，因此测试时很不方便，所以人门提出等精度测频方法。

等精度测频方法是在直接测频方法的基础上发展起来的。它的闸门时间不是固定的值，而是被测信号周期的整数倍，即与被测信号同步，因此，测除了对被测信号计数所产生±1个字误差，并且达到了在整个测试频段的等精度测量。其测频原理如图1所示。

在测量过程中，有两个计数器分别对标准信号和被测信号同时计数。首先给出闸门开启信号（预置闸门上升沿），此时计数器并不开始计数，而是等到被测信号的上升沿到来时，计数器才真正开始计数。然后预置闸门关闭信号（下降沿）到时，计数器并不立即停止计数，而是等到被测信号的上升沿到来时才结束计数，完成一次测量过程。可以看出，实际闸门时间τ与预置闸门时间τ1并不严格相等，但差值不超过被测信号的一个周期。

设在一次实际闸门时间τ中计数器对被测信号的计数值为Nx，对标准信号的计数值为Ns。标准信号的频率为fs，则被测信号的频率为

由式（1）可知，若忽略标频fs的误差，则等精度测频可能产生的相对误差为

δ=(|fxc-fx|/fxe)×100% (2)

其中fxe为被测信号频率的准确值。

在测量中，由于fx计数的起停时间都是由该信号的上升测触发的，在闸门时间τ内对fx的计数Nx无误差（τ=NxTx）；对fs的计数Ns最多相差一个数的误差，即|ΔNs|≤1,其测量频率为

fxe=[Nx/(Ns+ΔNs)]/fs （3）

将式（1）和（3）代入式（2），并整理得：

δ=|ΔNs|/Ns≤1/Ns=1/(τ·fs)

由上式可以看出，测量频率的相对误差与被测信号频率的大小无关，仅与闸门时间和标准信号频率有关，即实现了整个测试频段的等精度测量。闸门时间越长，标准频率越高，测频的相对误差就越小。标准频率可由稳定度好、精度高的高频率晶体振荡器产生，在保证测量精度不变的前提下，提高标准信号频率，可使闸门时间缩短，即提高测试速度。表1所列为标频在10MHz时闸门时间与最大允许误差的对应关系。

表1 闸门时间与精度的关系