文档介绍：电子测量仪器现状
频率计的发展现状
在电子测量领域中,频率测量的精确度是最高的,可达10—10E-13数量级。因此,在生产过程中许多物理量,例如温度、压力、流量、液位、PH值、振动、位移、速度、加速度,乃至各种气体的百分比成分等均用传感器转换成信号频率,然后用数字频率计来测量,以提高精确度。
目前最主要的方法是基于单片机和FPGA或CPLD利用EDA技术设计实现等精度频率测量,这使设计过程大大简化,缩短了开发周期,减小了电路系统的体积,同时也有利于保证频率计较高的精度和较好的可靠性。而实现等精度的算法主要是,在计数法和测周期法基础上发展起来的新型等精度频率测量算法,主要原理是预置闸门信号频率时随着被测信号频率的改变而改变,从而实现了等进度的测量。
FPGA简介
FPGA概述
FPGA是现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array)的简称,plex Programmable Logic Device)的简称,两者的功能基本相同,只是实现原理略有不同,所以有时可以忽略这两者的区别,统称为可编程逻辑器件或CPLD/PGFA。CPLD/PGFA几乎能完成任何数字器件的功能,上至高性能CPU,下至简单的74电路。它如同一张白纸或是一堆积木,工程师可以通过传统的原理图输入或硬件描述语言自由的设计一个数字系统。通过软件仿真可以事先验证设计的正确性,在PCB完成以后,利用CPLD/FPGA的在线修改功能,随时修改设计而不必改动硬件电路。使用CPLA/FPGA开发数字电路,可以大大缩短设计时间,减少PCB面积,提高系统的可靠性。这些优点使得CPLA/FPGA技术在20世纪90年代以后得到飞速的发展,同时也大大推动了EDA软件和硬件描述语言HDL的进步[6]。
FPGA的发展现状
先进的ASIC生产工艺已经被用于FPGA的生产,越来越丰富的处理器内核被嵌入到高端的FPGA芯片中,基于FPGA的开发成为一项系统级设计工程。随着半导体制造工艺的不断提高,FPGA 的集成度将不断提高,制造成本将不断降低,其作为替代ASIC 来实现电子系统的前景将日趋光明。
随着EDA 技术在全球范围内的飞速发展,业界都在翘首以待基于Linux 环境的EDA 技术成为电路设计领域的主流。首先,由于Linux 费用很低,源代码开放,这使得EDA 软件的前期开发费用很低,而且运行维护的成本也很低,同时大大方便了工程师的设计工作。而Linux 工作站的费用也要比Unix 工作站便宜很多。此外,Linux的成本大约是Unix以及Windows 的1/15~1/10,但是效能并不比后者差,甚至运行速度要更快一些。现在业界普遍的看法就是预计在未来的5年内,Linux 将成为EDA 的主角。可以预见,Linux 的普及只是时间问题[11]。
另一方面,随着现场可编程逻辑器件越来越高的集成度,加上对不断出现的I/O标准、嵌入功能、高级时钟管理的支持,使得设计人员开始利用现场可编程逻辑器件来进行系统级的片上设计。Altera公司目前正积极倡导SOPC(System On a Progrmmable Chip,系统可编程芯片)。“片上可编程系统”(SOPC)得到迅速发展,主要有以下几个原因:
1)密度在100万门以上的现场可编程逻辑芯片已经面市;
2)第4代现场可编程逻辑器件的开发工具已经成形,可对数量更多的门电路进行更快速的分析和编译,并可使多名设计人员以项目组的方式同步工作;
3)知识产权(IP)得到重视,越来越多的设计人员以“设计重用”的方式对现有软件代码加以充分利用,从而提高他们的设计效率并缩短上市时间。
Altera公司为了实现SOPC的设计,不仅研制开发出新器件,而且还研制出新的开发工具对这些新器件提供支持,并且与新芯片及软件相配合的是带知识产权的系统级设计模块解决方案,它们的参数可由用户自己定义。芯片、软件及知识产权功能集构成了Altera完整的可编程解决SOPC方案——Excalibur解决方案,如图1-1给出了利用这一方案实现SOPC的流程图[12]。
2 频率计的原理和设计
频率计的测频原理
等精度测频法
传统的测频方法有直接测频法和测周法,在一定的闸门时间内计数,门控信号和被测信号不同步,计数值会产生一个脉冲的误差。等精度测频法采用门控信号和被测信号同步,消除对被测信号计数产生的一个脉冲的误差。等精度频率测量方法消除了量化误差,可以在整个测试频段内保持高精度不变,其精度不会因被测信号频率的高低而发生变化。
利用FPGA强大的逻辑处理功能使被测信号和标准信号在闸门时间内同步测量,为了提高精度,将电子计数功能转为测周期,采用多周期