4.6. Частотомеры

Достаточно широко распространённым узлом микросхем являются частотомеры, позволяющие измерять частоту входного сигнала. Одним из возможных вариантов таких схем являются частотомеры, работающие по принципу сравнения частоты входного сигнала с опорной, эталонной частотой.

Существует несколько подходов к построению частотомеров. В частности при интегральном методе, опорная частота выбирается очень низкой, например, 0.5Гц и подсчитывается число периодов, входной частоты, укладывающихся в один полупериод опорной частоты. Такой подход позволяет построить наиболее простые схемы, представляющие собой фактически счётчики с несложным управлением.

Недостатками такого подхода являются: невысокая точность для входных сигналов с небольшой частотой и относительно большое время работы. Этот метод может применятся для измерения очень высоких частот – фактически на пределе срабатывания счётных триггеров. Для работы с очень высокими частотами опорная частота может быть также увеличена Так, например, для измерения частот в сотни мегагерц можно с успехом применять опорную частоту в десять килогерц, что обеспечит погрешность определения частоты менее 0.01%.

При интегральном подходе измеряемая частота Fv определяется соотношением

Fv= n, где n число периодов входной частоты, укладывающейся в

полупериод опорной.

Для определения частот низкочастотных сигналов иногда применяется метод измерения периода. При таком подходе опорная частота выбирается очень высокой и подсчитывается число импульсов опорной частоты, укладывающихся в полупериоде входной частоты.

Если опорная частота равна F, а число импульсов, укладывающихся в полупериоде входной частоты равно n. Тогда значение входной частоты Fv определяется выражением:

Fv=F/n

Для определения Fv требуется операция деления, что приводит к достаточно громоздким схемотехническим решениям. Однако современные библиотеки САПР обычно имеют готовые модули, реализующие операцию деления. Так что это не является сложной проблемой.

Интегральные частотомеры.

Это наиболее простой и широко распространённый тип частотомеров.

Рассмотрим схему интегрального измерителя частот, представленную на

рис 4.6.1.

Рис. 4.6.1. Структурная схема интегрального частотомера.

Схема частотомера имеет следующие входные и выходные сигналы.

СLKOP - тактовый импульсы опорной частоты равной 1 кГц;

CLKIN – вход неизвестной, измеряемой частоты;

RH[3..0] – старшие разряды регистра частоты;

RS[3..0] – средние разряды регистра частоты;

RM[3..0] – младшие разряды регистра частоты.

.Опорная частота выбрана равной 1 МГц, поэтому входные частоты будут измеряться в мегагерцах.

Интегральный частотомер состоит из трех тетрадного двоично десятичного счетчика count3 и схемы управления, реализованной на элементе 2И сбрасывающей и запускающей счётчик при положительном фронте входной частоты и останавливающей при отрицательном.

Для индикации показаний в схеме введен двенадцати разрядный регистр, состоящий из трех четырехразрядных регистров reg4. Этот регистр фиксирует отсчитанные значения измеряемой частоты, давая возможность выводить показания на выходной цифровой индикатор. Наличие этого регистра позволяет выдавать на выходной индикатор конечные значения отсчитанной частоты, полученные по окончании каждого отсчёта. В его отсутствие на выходном индикаторе происходила бы очень быстрая схема показаний, так что человеку было бы практически невозможно отслеживать полученные результаты.

Двоично-десятичный счетчик count3, выполняющий функции подсчёта числа импульсов измеряемой частоты, разработан на языке AHDL. Для обеспечения непосредственной выдачи результатов расчёта, например, на жидкокристаллический или светодиодный индикатор, работа счётчика организована по двоично-десятичной схеме, при которой мы сразу имеем все десятичные цифры для индикации.

Описание счётчика count3 имеет следующий вид:

SUBDESIGN COUNT3

( CLK, RN :INPUT;

M[3..0], S[3..0], H[3..0] :OUTPUT;

)