基于高速串行BCD碼除法的數(shù)字頻率計的設(shè)計

數(shù)字頻率計是計算機(jī)、通訊設(shè)備、音頻視頻等科研生產(chǎn)領(lǐng)域不可缺少的測量儀器。采用VDHL編程設(shè)計實現(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)碼顯示部分以外，其余全部在一片FPGA芯片上實現(xiàn)，整個系統(tǒng)非常精簡，而且具有靈活的現(xiàn)場可更改性。在不更改硬件電路的基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)進(jìn)行各種改進(jìn)還可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的性能。該數(shù)字頻率計具有高速、精確、可靠、抗干擾性強(qiáng)和現(xiàn)場可編程等優(yōu)點。

在設(shè)計中，所有頻段均采用直接測頻法對信號頻率進(jìn)行測量，克服了逼近式換擋速度慢的缺點；采用了門控信號和被測信號對計數(shù)器的使能端進(jìn)行雙重控制，提高了測量的精確度；在運(yùn)算單元采用了高速串行BCD碼除法，不僅提高了運(yùn)算速度，而且減小了資源消耗。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及基本設(shè)計原理

以一個8位十進(jìn)制、測量范圍為1Hz~100MHz的數(shù)字頻率計為例，采用100MHz的標(biāo)準(zhǔn)頻率信號，說明設(shè)計的基本原理及實現(xiàn)。設(shè)計的數(shù)字頻率計由測量頻率模塊、計算模塊和譯碼模塊組成，如圖1所示。測頻模塊采用兩個十進(jìn)制計數(shù)器分別測出門控時間內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)信號和被測信號的周期數(shù)Ns和Nx。計算模塊則根據(jù)公式Fx／Nx=Fs/Ns算出Fx，通過譯碼即可得到被測信號頻率的7段數(shù)碼顯示。

數(shù)字頻率計的設(shè)計原理實際上是測量單位時間內(nèi)的周期數(shù)。這種方法免去了實測以前的預(yù)測，同時節(jié)省了劃分頻段的時間，克服了原來高頻段采用測頻模式而低頻段采用測周期模式的測量方法存在換擋速度慢的缺點。

為克服低頻段測量的不準(zhǔn)確問題，采用門控信號和被測信號對計數(shù)器的使能信號進(jìn)行雙重控制，大大提高了準(zhǔn)確度，如圖2所示。

當(dāng)門控信號為1時，使能信號并不為1，只有被測信號的上升沿到來時，使能端才開始發(fā)送有效信號，兩個計數(shù)器同時開始計數(shù)。當(dāng)門控信號變?yōu)?時，使能信號并不是立即改變，而是當(dāng)被測信號的下一個上升沿到來時才變?yōu)?，計數(shù)器停止計數(shù)。因此測量的誤差最多為一個標(biāo)準(zhǔn)時鐘周期。當(dāng)采用100MHz的信號作為標(biāo)準(zhǔn)信號時，誤差最大為0．01μs。

2 高速串行BCD碼除法運(yùn)算原理

利用FPGA實現(xiàn)二進(jìn)制除法運(yùn)算，一種方法是采用逼近法，這種方法速度低、準(zhǔn)確性不高。另一種方法是采取被除數(shù)與除數(shù)的倒數(shù)相乘的方法，即將除數(shù)作為寄存器的地址，其倒數(shù)的小數(shù)部分作為寄存器的內(nèi)容，通過一次寄存器尋址來計算除數(shù)的倒數(shù)。這種方法在一個時鐘周期內(nèi)即可完成一個完整的除法運(yùn)算，雖然速度較高，但對于多字節(jié)除法運(yùn)算，不僅程序復(fù)雜，而且占用資源較多。根據(jù)頻率計的實際情況，本設(shè)計采用串行除法運(yùn)算，利用多個時鐘周期完成一個完整的除法運(yùn)算，從而兼顧了頻率計對速度和資源兩方面的要求。

2．1 多位串行BCD碼減法原理

在數(shù)字串行除法運(yùn)算中，減法運(yùn)算是必不可少的部分。數(shù)字串行BCD碼的減法運(yùn)算是將P位的BCD碼分為P個寬為4的二進(jìn)制數(shù)，然后從低位開始相減，在P個時鐘周期內(nèi)完成減法操作。如果輸入的操作數(shù)位數(shù)為8，那么串行BCD碼減法器可以在8個時鐘周期內(nèi)完成8位BCD碼減法運(yùn)算。

數(shù)字串行減法的控制也比較簡單，1位BCD碼減法運(yùn)算完成，進(jìn)行移位操作，并且移位次數(shù)加1，然后通過采用start信號指示新計算周期。當(dāng)移位次數(shù)為n時，輸出移位寄存器完成串／并轉(zhuǎn)換，輸出結(jié)果。設(shè)計者可以根據(jù)實際情況，通過選擇不同的n，提高設(shè)計的靈活性。本設(shè)計選擇n=8。

該設(shè)計在提高速度的同時，節(jié)省了資源。實驗證明，采用1OOMHz的工作頻率，實現(xiàn)一個8位BCD碼串行減法運(yùn)算，耗用的資源卻小于實現(xiàn)2位BCD碼并行減法運(yùn)算所耗用的資源。