FPGA与信号频率测量——等精度测频法

1．为什么用等精度测频法：
      在使用直接测频法时，相对误差会随着待测信号的频率下降而上升，因此该法仅适用于高频信号测量；在使用周期测频法时，相对误差会随着待测信号的频率上升而上升，因此该法仅适用于低频信号测量。为同时满足对高、低频信号的测量需求，产生了等精度测频法，这一方法的相对误差与待测信号频率无关。

2．等精度测频法思路：
图1.等精度测频法时序图
    等精度测频法仍采用闸门计数的基本方法，闸门信号分为预置闸门和实际闸门两种。预置闸门信号由系统时钟计数产生，宽度是人为设定的；实际闸门信号由预置闸门信号经待测信号采样后得到，与待测信号保持同步且宽度是待测信号的整数倍(这是实现等精度的关键)，是真正控制测频计数器的闸门信号。
    在实际闸门信号的控制下，两个计数器分别对待测信号fx和基准时钟fs进行计数，得到计数结果Nx和Ns。由于计数时间是一致的，故得到的计数结果与被计数信号的频率成正比，可根据如下公式计算出待测信号频率：



3．误差分析：
     实际闸门信号与待测信号保持同步，且宽度为待测信号的整数倍，这一特点消除了待测信号计数器的计数偏差，但由于实际闸门信号与基准时钟的关系仍不确定，基准时钟计数器仍可能出现1个单位的计数偏差，故相对误差计算如下（以下Ns指的是基准时钟计数器无计数偏差时的结果）：



图2.相对误差计算

    可见，相对误差仅与Ns有关，而Ns=实际闸门宽度t*基准时钟频率fs，是一个与待测信号频率无关的固定值；由此实现了对不同频率待测信号的等精度测量，且闸门宽度越大，基准时钟频率越高，误差越小。（实际闸门宽度t和预置闸门宽度并不严格相等，但二者相差不超过一个待测信号周期，因此通常按二者相等处理。）



4．具体实现：
源代码


可计算得，待测信号频率=50M*2500000/50000000=2.5MHz，与设定值一致。