基于FPGA的数字频率计的设计和实现

目录前言．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1 第一章 FPGA及Verilog HDL．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2 1.1 FPGA简介．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2 1.2 Verilog HDL 概述．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2 第二章数字频率计的设计原理．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3 2.1 设计要求．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3 2.2 频率测量．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3 2.3．系统的硬件框架设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4 2.4系统设计与方案论证．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5 第三章数字频率计的设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．8 3.1系统设计顶层电路原理图．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．8 3.2频率计的VHDL设计．...．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9 第四章软件的测试．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．15 4.1测试的环境——MAX+plusII．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．15 4.2调试和器件编程．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．15 4.3频率测试．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．16基于FPGA的等精度频率计的设计与实现摘要：本文详细介绍了一种基于FPGA的高精度频率计。

基于FPGA的数字频率计设计学院：专业：班级：姓名：学号：审阅老师：评分：目录一、课程设计目的 (3)二、设计任务 (3)三、功能要求与技术指标 (3)四、数字频率计工作原理概述 (3)五．数字频率计实现方法 (4)六．结论与误差分析 (11)七．VHDL程序： (12)一、课程设计目的熟悉EDA工具，掌握用VHDL语言进行数字系统设计的基本方法和流程，提高工程实践能力。

二、设计任务设计一数字频率计，用VHDL语言描述，用QuartusII工具编译和综合，并在实验板上实现。

三、功能要求与技术指标1.基本功能要求（1）能够测量出方波的频率，其范围50Hz~50KHz。

（2）要求测量的频率绝对误差±5Hz。

（3）将测量出的频率以十进制格式在实验板上的4个数码管上显示。

（4）测量响应时间小于等于10秒。

以上（1）~（4）基本功能要求均需实现。

2.发挥部分（1）提高测量频率范围，如10Hz~100KHz或更高、更低频率，提高频率的测量绝对值误差，如达到±1Hz。

（2）可以设置量程分档显示，如X1档（显示范围1Hz~9999Hz），X10档（显示范围0.001KHz~9.999KHz），X100档（显示范围0.100KHz~999.9KHz）...可以自定义各档位的范围。

量程选择可以通过按键选择，也可以通过程序自动选择量程。

（3）若是方波能够测量方波的占空比，并通过数码管显示。

以上（1）~（3）发挥功能可选择实现其中的若干项。

四、数字频率计工作原理概述1.数字频率计简介在电子技术中，频率是最基本的参数之一，并且与许多电参量的测量方案、测量结果都有十分密切的关系，因此频率的测量就显得更为重要。

而数字频率计是采用数字电路制成的实现对周期性变化信号的频率的测量。

2.常用频率测量方法：方案一采用周期法。

通过测量待测信号的周期并求其倒数，需要有标准倍的频率，在待测信号的一个周期内，记录标准频率的周期数，这种方法的计数值会产生最大为±1个脉冲误差，并且测试精度与计数器中记录的数值有关，为了保证测试精度，测周期法仅适用于低频信号的测量。

基于FPGA的数字频率计设计摘要数字频率计是一种常用的电子测量仪器，在工程领域中广泛应用。

与传统的模拟频率计相比，数字频率计具有精度高、响应快、体积小等优点，在现代电子技术领域中广泛应用。

本文将介绍如何使用FPGA设计数字频率计，并通过示例演示FPGA的应用。

介绍数字频率计是一种将输入信号的频率转换成计数信号输出的电子工具，它可以测量频率、周期和时间间隔等参数。

频率计通常采用数字进制计数方式，其测量精度取决于计数器的精度和时钟频率。

在电子电路测试、无线通信、音频、视频等领域中，数字频率计起着至关重要的作用。

FPGA（Field Programmable Gate Array）是一种具有灵活性、可编程性和高速性的逻辑芯片，适用于数字电路的设计和实现。

与ASIC（Application-Specific Integrated Circuit）相比，FPGA具有短设计周期、可重构、低成本等特点。

在数字系统中，FPGA作为计数器的电子部件，使得数字频率计的设计变得更加灵活和简便。

FPGA数字频率计设计系统框图FPGA数字频率计的系统框图如下：FPGA数字频率计系统框图FPGA数字频率计系统框图如图所示，FPGA数字频率计的输入端连接到待测信号，经过放大和滤波处理后送入计数器中进行计数，计数器输出的计数值存储在FPGA的存储器中并进行处理，最终形成数字频率读数并显示在数码管上。

输入端FPGA数字频率计的输入端通常使用低噪声前置放大器和有限带宽滤波器的组合，以保证待测信号的准确度和稳定性。

实际设计中应根据待测信号的具体情况选择合适的放大系数和滤波器参数。

计数器数字频率计的计数器是FPGA实现的核心部件。

计数器根据输入端计数触发信号进行计数，并将计数器输出的计数值存储在FPGA的存储器中。

计数器的计数值越大，频率读数的分辨率就越高。

在FPGA中，计数器可以采用累加计数器或移位寄存器计算，具体实现取决于设计者的需求和性能要求。

第一章课题研究概述1.1课题研究的目的和意义在电子技术中，频率是最基本的参数之一，并且与许多电参量的测量方案、测量结果都有十分密切的关系，因此，频率的测量就显得更为重要。

测量频率的方法有多种,其中电子计数器测量频率具有精度高、使用方便、测量迅速，以及便于实现测量过程自动化等优点，是频率测量的重要手段之一。

目前常用的测频方案有三种：方案一：完全按定义式Ｆ＝ＮＴ进行测量。

被测信号Ｆx经放大整形形成时标ГX，晶振经分频形成时基TR。

用时基TR开闸门，累计时标ГX 的个数，则有公式可得Ｆx=1ГX=NTR。

此方案为传统的测频方案，其测量精度将随被测信号频率的下降而降低。

方案二：对被信号的周期进行测量，再利用Ｆ＝１Ｔ（频率＝１周期）可得频率。

测周期时，晶振ＦR经分频形成时标ГX，被测信号经放在整形形成时基TＸ控制闸门。

闸门输出的计数脉冲Ｎ＝ГXTR，则TX=NГX。

但当被测信号的周期较短时，会使精度大大下降。

方案三：等精度测频，按定义式Ｆ＝ＮＴ进行测量，但闸门时间随被测信号的频率变化而变化。

如图１所示，被测信号Ｆx经放大整形形成时标ГX，将时标ГX经编程处理后形成时基TR。

用时基TR开闸门，累计时标ГX的个数，则有公式可得Ｆx=1ГX=NTR。

此方案闸门时间随被测信号的频率变化而变化，其测量精度将不会随着被测信号频率的下降而降。

本次实验设计中采用的是第三种测频方案。

等精度频率计是数字电路中的一个典型应用，其总体设计方案有两种：方案一：采用数字逻辑电路制作，用IC拼凑焊接实现。

其特点是直接用现成的IC组合而成，简单方便，但由于使用的器件较多，连线复杂，体积大，功耗大，焊点和线路较多将使成品稳定度与精确度大打折扣，而且会产生比较大的延时，造成测量误差、可靠性差。

方案二：采用可编程逻辑器件（CPLD）制作。

随着现场可编程门阵列FPGA的广泛应用，以EDA工具作为开发手段，运用VHDL等硬件描述语言语言，将使整个系统大大简化，提高了系统的整体性能和可靠性。

本科生毕业论文题目：基于fpga的等精度数字频率计的设计摘要在电子工程，资源勘探，仪器仪表等相关应用中，频率计是工程技术人员必不可少的测量工具。

频率测量也是电子测量技术中最基本最常见的测量之一。

不少物理量的测量，如转速、振动频率等的测量都涉及到或可以转化为频率的测量。

基于传统测频原理的频率计的测量精度会随被测信号频率的下降而降低。

本文介绍了一种基于FPGA的等精度数字频率计，它不但具有较高的测量精度，而且在整个测量区域能保持恒定的测量精度。

文章首先介绍了硬件描述语言（HDL）的发展，以VHDL为核心，说明了利用VHDL语言进行设计的步骤。

然后介绍FPGA器件的基本结构和开发流程，接着阐述等精度数字频率计的工作原理以及利用VHDL语言实现数字频率计的具体做法，重点是利用BCD码减法实现的BCD码除法器的设计，最后还利用modelsim软件对其进行了仿真，具体分析验证了此设计的正确性。

关键词：FPGA VHDL 等精度BCD码除法AbstractCymometer is a necessary measure tool for technical engineers in electronic engineering , resource exploration and apparatus using . frequency mesure is one of the most essential and the most common mesure of electronic mesure technology . many physical quantities’ mesure , such as rotate speed , vibration frequency’s mesure , is related with or can be transformed into frequency mesure.The precision of cymometer based on traditional frequency-testing theory will decrese when the measured frequency becomes lower. this article introduces a cymometer of same-precision based on FPGA. The cymometer not only has high precision, but also its precision doesn’t decrese when the measured frequency becomes lower.This article first introduces the development of HDL , focusing on VHDL , present the step of design of VHDL . then it introduces the basic structure and the develop flow of FPGA device . in the end , it introduces the theory of cymometer and the specific implement of cymometer based on VHDL , emphasizing the theory of implementing BCD division. the function simulation and logic synthesis also come out, showing the correction of the design .Keywords: FPGA VHDL same-precision BCD division目录第一章前言............................................................................................................... 错误!未定义书签。

数字频率计实验报告数字频率计用VHDL语言设计实现基于FPGA的数字频率计学校：学院：姓名：学号：实验室：实验日期：摘要本文介绍了一种基于FPGA的数字频率的实现方法。

该设计采用硬件描述语言VHDL，在软件开发平台ISE上完成。

该设计的频率计有三种闸门选择，分别是1s、0.1s、0.01s，能较准确的测量频率在10Hz到10MHz之间的信号。

使用ModelSim仿真软件对各个模块的VHDL程序做了仿真，对各个模块的功能进行了测试，并完成了综合布局布线，最终下载到芯片上取得了良好测试效果。

关键词：VHDL、频率计、 FPGA、测量目录第一章引言 ..................................... 错误！未定义书签。

第二章基于FPGA的VHDL设计流程 . (3)2.1概述 (3)2.2VHDL语言和V ERILOG HDL介绍 (3)2.2.1 VHDL的特点 (4)2.3FPGA介绍 (5)第三章数字频率计的软件开发环境 ................. 错误！未定义书签。

3.1开发环境 (6)3.2M ODEL S IM介绍 (6)3.3ISE介绍 (5)第四章数字频率计的设计与实现 (7)4.1任务要求 (7)4.2测量原理................................... 错误！未定义书签。

4.3设计方案与系统需求 (7)4.4各模块的功能及实现 (9)4.4.1 分频器 (9)4.4.2 闸门选择器 (10)4.4.3 测频控制器............................. 错误！未定义书签。

4.4.4 计数器................................. 错误！未定义书签。

4.4.5 锁存器................................. 错误！未定义书签。

4.4.6 显示控制系统........................... 错误！未定义书签。

基于 FPGA 的数字频率计的设计与实现随着现代科技的不断发展，我们对数字信号处理的需求也越来越高。

数字频率计作为一种用来测量信号频率的仪器，在许多领域有着广泛的应用，包括无线通信、雷达系统、声音处理等。

在这些应用中，精确、高速的频率测量常常是至关重要的。

而基于 FPGA 的数字频率计正是利用了 FPGA 高速并行处理的特点，能够实现高速、精确的频率计算，因此受到了广泛关注。

本文将从设计思路、硬件实现和软件调试三个方面，对基于 FPGA 的数字频率计的设计与实现进行详细讲解。

一、设计思路1.1 频率计原理数字频率计的基本原理是通过对信号进行数字化，然后用计数器来记录单位时间内信号的周期数，最后根据计数器的数值和单位时间来计算信号的频率。

在 FPGA 中，可以通过硬件逻辑来实现这一过程，从而实现高速的频率计算。

1.2 FPGA 的优势FPGA 作为一种可编程逻辑器件，具有并行处理能力强、时钟频率高、资源丰富等优点。

这些特点使得 FPGA 在数字频率计的实现中具有天然的优势，能够实现高速、精确的频率测量。

1.3 设计方案在设计数字频率计时，可以采用过采样的方法，即对输入信号进行过取样，得到更高精度的测量结果。

还可以结合 PLL 锁相环等技术，对输入信号进行同步、滤波处理，提高频率测量的准确性和稳定性。

二、硬件实现2.1 信号采集在 FPGA 中，通常采用外部 ADC 转换芯片来对输入信号进行模数转换。

通过合理的采样率和分辨率设置，可以保证对输入信号进行精确的数字化处理。

2.2 计数器设计频率计最关键的部分就是计数器的设计。

在 FPGA 中，可以利用计数器模块对输入信号进行计数，并将计数结果送入逻辑单元进行进一步的处理。

2.3 频率计算通过对计数结果进行适当的处理和归一化，可以得到最终的信号频率。

在这一过程中，需要注意处理溢出、误差校正等问题，以保证频率测量的准确性和稳定性。

三、软件调试3.1 FPGA 开发环境在进行基于 FPGA 的数字频率计设计时，可以选择常见的开发工具，例如 Xilinx Vivado 或 Quartus II 等。

fpga数字频率计的设计
FPGA数字频率计的设计可以分为以下几个步骤：
1. 确定输入信号的采样方式：可以选择通过外部计数器输入信号进行采样，或者通过FPGA内部时钟进行采样。

2. 确定输入信号的采样频率：根据需要测量的信号频率范围，选择合适的采样频率。

采样频率应满足奈奎斯特采样定律，即采样频率应大于信号最高频率的两倍。

3. 设计计数器：根据采样频率和测量时间，设计一个适当的计数器来统计采样信号的周期数。

计数器可以使用FPGA内部的计数器资源，或者使用自定义的计数器逻辑。

4. 实时更新频率显示：通过在FPGA中实现一个时钟模块，将计数器的值转换为频率值，并在数码管或者显示屏上实时显示。

5. 添加其他功能：根据需要，可以添加一些其他功能，比如测量时间的设置、单位的选择、数据存储等。

需要注意的是，设计中需要考虑信号的稳定性和准确性，以及FPGA 资源的限制。

同时，对于高频信号的测量，可能需要进行信号预处理和滤波等操作，以确保测量结果的准确性。