基于高速串行BCD码除法的数字频率计的设计

　　数字频率计是计算机、通讯设备、音频视频等科研生产领域不可缺少的测量仪器。采用VDHL编程设计实现的数字频率计，除被测信号的整形部分、键输入部分和数码显示部分以外，其余全部在一片FPGA芯片上实现，整个系统非常精简，而且具有灵活的现场可更改性。在不更改硬件电路的基础上，对系统进行各种改进还可以进一步提高系统的性能。该数字频率计具有高速、精确、可靠、抗干扰性强和现场可编程等优点。

　　在设计中，所有频段均采用直接测频法对信号频率进行测量，克服了逼近式换挡速度慢的缺点;采用了门控信号和被测信号对计数器的使能端进行双重控制，提高了测量的精确度;在运算单元采用了高速串行BCD码除法，不仅提高了运算速度，而且减小了资源消耗。

　　1 系统结构及基本设计原理

　　以一个8位十进制、测量范围为1Hz~100MHz的数字频率计为例，采用100MHz的标准频率信号，说明设计的基本原理及实现。设计的数字频率计由测量频率模块、计算模块和译码模块组成，如图1所示。测频模块采用两个十进制计数器分别测出门控时间内的标准信号和被测信号的周期数Ns和Nx。计算模块则根据公式Fx/Nx=Fs/Ns算出Fx，通过译码即可得到被测信号频率的7段数码显示。

　　数字频率计的设计原理实际上是测量单位时间内的周期数。这种方法免去了实测以前的预测，同时节省了划分频段的时间，克服了原来高频段采用测频模式而低频段采用测周期模式的测量方法存在换挡速度慢的缺点。

　　为克服低频段测量的不准确问题，采用门控信号和被测信号对计数器的使能信号进行双重控制，大大提高了准确度，如图2所示。

　　当门控信号为1时，使能信号并不为1，只有被测信号的上升沿到来时，使能端才开始发送有效信号，两个计数器同时开始计数。当门控信号变为0时，使能信号并不是立即改变，而是当被测信号的下一个上升沿到来时才变为0，计数器停止计数。因此测量的误差最多为一个标准时钟周期。当采用100MHz的信号作为标准信号时，误差最大为0.01μs。

　　2 高速串行BCD码除法运算原理

　　利用FPGA实现二进制除法运算，一种方法是采用逼近法，这种方法速度低、准确性不高。另一种方法是采取被除数与除数的倒数相乘的方法，即将除数作为寄存器的地址，其倒数的小数部分作为寄存器的内容，通过一次寄存器寻址来计算除数的倒数。这种方法在一个时钟周期内即可完成一个完整的除法运算，虽然速度较高，但对于多字节除法运算，不仅程序复杂，而且占用资源较多。根据频率计的实际情况，本设计采用串行除法运算，利用多个时钟周期完成一个完整的除法运算，从而兼顾了频率计对速度和资源两方面的要求。