基于FPGA高精度数字频率计的方案设计书

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。

设计一台基于PC机的简易数字频率计软、硬件，信号为：矩形波、正弦波、三角波，信号峰幅范围：1mV-10V，精度：级，频率范围：愈宽愈好！目录第一章总体方案设计 (3)背景与概述 (3)频率计主要指标 (3)测量方法设计 (3)第二章硬件部分信号调理设计 (7)信号调理流程设计 (7)信号调理部分各个模块设计 (7)第三章软件部分频率测量设计 (11)分频模块设计 (11)计数模块设计 (12)控制模块设计 (13)频率测量软件整体设计 (14)FPGA控制LCD显示 (16)第四章串口传输及上位机软件设计 (17)串口传输设计 (17)上位机软件设计 (18)第五章设计总结 (20)设计总结 (20)附录1：部分模块Verilog代码 (21)附录2：上位机软件主要C#代码 (28)第一章总体方案设计背景与概述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。

它是一种用十进制数字，显示被测信号频率的数字测量仪器。

它的基本功能是测量正弦信号，方波信号以及其他各种单位时间内变化的物理量。

在进行模拟、数字电路的设计、安装、调试过程中，由于其使用十进制数显示，测量迅速，精度高，显示直观，所以经常要用到数字频率计。

在传统的电子测量仪器中，示波器在进行频率测量时测量精度较低，误差较大。

频谱仪可以准确的测量频率并显示被测信号的频谱，但测量速度较慢，无法实时快速的跟踪捕捉到被测信号频率的变化。

正是由于频率计能够快速准确的捕捉到被测信号频率的变化，因此，频率计拥有非常广泛的应用范围。

在传统的生产制造企业中，频率计被广泛的应用在产线的生产测试中。

频率计能够快速的捕捉到晶体振荡器输出频率的变化，用户通过使用频率计能够迅速的发现有故障的晶振产品，确保产品质量。

在计量实验室中，频率计被用来对各种电子测量设备的本地振荡器进行校准。

在无线通讯测试中，频率计既可以被用来对无线通讯基站的主时钟进行校准，还可以被用来对无线电台的跳频信号和频率调制信号进行分析。

基于FPGA和单片机的高精度数字频率计的设计与实现【摘要】本文介绍了基于FPGA和单片机的高精度数字频率计的设计与实现。

在文章阐述了研究背景、研究意义和研究内容。

在首先介绍了数字频率计的工作原理，然后分别讨论了基于FPGA和单片机的数字频率计的设计方案。

接着详细描述了硬件系统设计和软件系统设计。

在通过实验结果分析展示了设计的可靠性和高精度性能，并总结了设计的优缺点。

展望未来发展方向，提出了进一步优化和改进的建议。

通过本文的研究与实现，可为数字频率计的设计提供一种更高精度和更有效的解决方案，具有较好的应用前景和推广价值。

【关键词】FPGA、单片机、高精度数字频率计、硬件系统设计、软件系统设计、实验结果分析、设计优缺点总结、未来展望、数字频率计的原理、基于FPGA的设计、基于单片机的设计、研究背景、研究意义、研究内容。

1. 引言1.1 研究背景数字频率计是一种广泛应用于电子领域的重要仪器，用于准确测量信号的频率。

随着现代电子设备对频率精度的要求日益提高，高精度数字频率计的研究与应用变得越来越重要。

目前市面上的数字频率计大多基于FPGA或单片机进行设计，这两种方案各有优劣。

基于FPGA的数字频率计可以实现高速、高精度的频率测量，适用于需要处理大量数据的场景。

而基于单片机的数字频率计则更便于实现低功耗、低成本的设计，适用于对精度要求不是特别高的场合。

目前关于基于FPGA和单片机的高精度数字频率计设计的研究还比较有限，对于如何结合FPGA和单片机的特点，设计出既具有高精度又具有低成本的数字频率计仍有待探讨。

本文将重点研究基于FPGA和单片机的高精度数字频率计的设计与实现，旨在探讨如何充分发挥两者的优势，实现高精度、低成本的频率测量系统。

通过本研究，有望为数字频率计的设计与应用提供新的思路和方法。

1.2 研究意义数字频率计是现代电子技术中常用的一种测量设备，可以用于测量各种信号的频率。

随着科学技术的不断发展，对数字频率计的精度和性能要求越来越高。

基于FPGA和单片机的高精度数字频率计的设计与实现1. 引言1.1 背景介绍数字计数器是一种广泛应用于科学研究、工程技术和日常生活中的仪器设备，用于测量信号的频率、周期和脉冲数量等。

随着科技的不断发展，对于数字频率计的精度和性能要求也越来越高。

传统的数字频率计主要基于单片机或专用芯片的设计，存在精度受限、功能单一等问题。

而基于FPGA和单片机的高精度数字频率计能够充分发挥FPGA在并行计算和高速数据处理方面的优势，结合单片机的灵活性和易编程性，实现更高精度、更丰富功能的数字频率测量。

本文基于FPGA和单片机，设计并实现了一种高精度数字频率计，具有高度精准、快速响应的特点。

通过软硬件结合的设计思路，实现了数字信号频率的精确测量，同时在硬件设计和软件设计上都进行了详细优化和实现。

系统测试结果表明，该数字频率计具有较高的测量精度和稳定性，在实验中取得了良好的效果和准确的测量数据。

此设计不仅具有实用价值，还对数字频率计的进一步研究和应用具有一定的参考意义。

1.2 研究意义随着科技的发展，对于频率计的要求也越来越高，需要具备更高的精度、更快的响应速度和更广泛的适用范围。

设计和实现基于FPGA 和单片机的高精度数字频率计具有重要的研究意义。

通过本文的研究，可以深入了解数字频率计的工作原理和设计方法，为高精度频率计的研究和应用提供参考和借鉴。

本文的研究成果还可以为提高电子测量仪器的性能，推动数字频率计技术的发展做出重要的贡献。

本文的研究具有重要的理论和实践意义。

1.3 研究现状当前，数字频率计在电子测量领域具有重要的应用价值，其精度和稳定性对于提高测量精度和准确性至关重要。

目前，数字频率计的研究主要集中在硬件设计和软件算法的优化上。

在硬件设计方面，传统的数字频率计主要采用FPGA（现场可编程门阵列）作为核心控制器，实现高速、高精度的频率测量。

通过合理的电路设计和时序控制，可以实现更稳定和准确的频率计算。

在软件设计方面，研究者们致力于优化频率计算算法，提高频率计算的速度和精度。

基于FPGA的高精度频率计设计随着现代通信技术的发展，对于高精度频率计的需求越来越大。

传统的频率计主要基于微处理器实现，但在高频率和高精度要求下，性能和灵活性受到了限制。

为了满足这种需求，基于可编程逻辑器件（FPGA）的高精度频率计应运而生。

FPGA是一种可编程逻辑设备，可以重新配置电路结构以实现不同的功能。

具有并行处理、高速度和灵活性等特点，非常适合于高精度频率计的设计。

基于FPGA的高精度频率计可以实时测量和显示输入信号的频率，并具有较高的精度和稳定性。

设计一个基于FPGA的高精度频率计，首先需要确定设计的规格和目标。

一般来说，设计应具有以下要求：1.高频率计数：能够支持较高的输入频率范围，例如数百兆赫兹（MHz）。

2.高精度计数：能够实现较高的计数精度，通常为小数点后几位。

3.快速响应：能够实现实时计数和显示，以满足高速输入信号的需求。

4.稳定性和可靠性：稳定的输入信号计数和显示，在长时间运行中保持精度和稳定性。

根据以上要求，可以使用以下步骤设计一个基于FPGA的高精度频率计：1.输入接口：设计输入接口来接收频率信号。

可以使用差分输入接口或单端输入接口，根据需要选择合适的接口方式。

需要考虑抗干扰能力和信号质量等因素。

2.时钟同步：使用FPGA内部或外部的时钟信号来同步输入信号。

通过与时钟信号同步，可以实现准确稳定的计数和显示。

3.计数逻辑：设计计数逻辑电路来对输入信号进行计数。

可以使用计数器模块实现计数功能。

FPGA内部计数器可以满足较低频率要求，但对于较高频率，可能需要使用外部计数器模块。

4.频率计算：根据计数结果和计数时间，计算输入信号的频率。

可以使用FPGA内部的时钟模块来计算时间间隔，然后使用计数结果和时间间隔来计算频率。

高精度频率计可以通过多次计数和平均来提高计算精度。

5.显示和输出：设计输出接口来显示和输出测量结果。

可以使用FPGA内部的显示模块来显示频率值，也可以通过外部接口输出频率值。

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。

湖南大学电气与信息工程学院本科生课程设计题目：数字频率计课程：电子技术综合设计专业：电子信息工程班级：1703指导老师：设计时间：目录一、选题 (1)二、要求 (1)三、方案原理 (3)四、框图 (4)五、单元电路说明 (6)1分频模块 (6)2 显示模块六、参考资料 (21)一、选题数字式频率计的VERILOG设计二、要求对输入FPGA开发板的一定频率的输入信号的频率进行测量，并通过LCD进行显示，并使可测量范围尽可能大，精度尽可能高三、方案原理（1）L CD显示原理本次设计中使用的是基于HD44780的LCD1602。

管脚定义图如下:要实现液晶显示功能有如下关键步骤：1.确定字符显示位置：要在液晶上的某个位置上显示某个字符，就是要向DDRAM的某个地址写入要显示的数据代码。

屏幕物理位置与DDRAM地址的对应关系如下：2.确定显示字符的内容：液晶要显示某个字符时，实质上就是显示该字符的字模, ，即向DDRAM里写数，数据与字模对照表如下：3.将数据写入LCD：执行以下步骤：清屏指令->功能设置指令->进入模式设置指令->显示开关控制指令->设定DDRAM地址指令->数据写入DDRAM指令，相关指令如下：液晶读数据时序：把数据写入液晶时序：由上图可知要保证液晶能正常显示，在E的下降沿时，数据要有效。

（2）频率测量原理利用分频模块获得一个1HZ的clk脉冲，同时设定一个计数脉冲，clk 脉冲作为时基，同时设定一个计数脉冲，每当clk脉冲跳变时，将计数寄存器中的数据送至显示寄存器，同时清零计数寄存器，并显示寄存器中的内容送至LCD显示模块，即可完成频率测量功能模块例化思路分频模块产生多种频率的信号供不同模块使用顶层文件脉冲计数count门控信号二-十进制转换模块LCD1602模块显示频率（最小单位1Hz）和占空比（最小单位0.1%）Clk_In,sysclkClk_GateClk_500Cnt7~Cnt0countClk_500。

基于FPGA和单片机的高精度数字频率计的设计与实现一、引言数字频率计是一种用来测量信号频率的仪器，通常用于检测和控制电子电路、通讯系统、工业自动化装置等领域。

在实际应用中，频率计对于频率的测量精度要求很高，同时还需要具备快速响应、稳定性好和抗干扰能力强等特点。

本文将介绍一种基于FPGA和单片机的高精度数字频率计的设计与实现。

二、设计原理1. 信号输入高精度数字频率计的设计首先需要对信号进行采集和处理。

通常采集的信号是来自于传感器、射频发射机、计时器等设备输出的波形信号。

这些信号可能是方波、正弦波等各种周期信号，需要进行适当的信号调理才能进行后续的数字处理。

2. FPGA实时处理FPGA（Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）是一种集成了大量可编程逻辑和存储器的可重构数字电路芯片。

它的设计灵活、速度快、功耗低等特点，非常适合于数字信号处理任务。

在本设计中，FPGA用于对输入信号进行数字化、滤波、计数等处理，以提高频率计的测量精度和稳定性。

3. 单片机控制和显示单片机通常用于系统的控制和显示。

它可以对FPGA进行配置和控制，同时还可以将测量结果显示在液晶屏或者其他显示设备上，方便用户进行实时监测和操作。

三、设计流程1. 信号采集和调理首先需要对采集的信号进行滤波和数字化处理，使其能够被FPGA所识别。

这一步通常需要采用运算放大器进行信号放大、滤波等处理，使得信号的波形清晰、稳定，以便后续的数字处理。

2. FPGA处理在FPGA中，需要设计一个数字频率计的计数器，用于对输入信号的周期进行计数，从而得到它的频率。

还需要设计一个时钟模块，用于控制计数器的计数频率和精度。

五、性能测试1. 测试平台搭建搭建一个测试平台，将设计的高精度数字频率计与标准信号源相连，以验证其测量精度和稳定性。

需要设计合适的测试程序，对频率计进行全面的性能测试。

2. 测试结果分析通过对测试结果进行分析，得到设计的数字频率计的测量精度、抗干扰能力、快速响应性等性能参数。

基于FPGA的高精度频率计设计实验一.实验目的1.熟悉数字存储示波器基本工作原理。

2.掌握硬件测频和测周的基本原理。

3.掌握在现有综合实践平台上开发DSO硬件频率U•模块的方案及流程。

二.实验内容1.结合数据采集、存储和触发模块的FPGA代码，理解DSO的基本工作原理。

2.编写FPGA代码完善DSO的频率计模块，实现高精度测频和测周功能。

三.预备知识1.了解综合实践平台硬件结构。

2.熟悉Xilinx ISE Design Suite 13.2开发环境使用方法。

3.熟悉Verilog HDL硬件描述语言的语法及运用。

四.实验设备与工具硬件：测试技术与嵌入式系统综合实践平台，PC机Pentium 100以上，XILINX USB调试下载器。

软件：PC机Win XP操作系统，Xilinx ISE Design Suite 13.2 开发环境五.实验步骤1.打开工程文件SYPT_FPGA.xise2.打开freq_measure.v和period_measure.v文件，先根据定义好的模块端口输入输山信号，结合测频和测周的原理，在提示添加代码处补充代码：a.测频模块(freq_measure.v)测频模块的基本功能是测量闸门吋间内被测信号的脉冲个数。

实现过程如下：(1)由标准时钟计数产生一个预设闸门信号，然后用被测信号同步预设闸门信号产生实际闸门信号；要求:预设闸门时间可根据用户选择信号(select_parameter)在50ms、100ms、Is、10s屮切换。

具体代码如下阁//select gate value: CNT_GATA_VALUEalways @(posedge clkin)begincase (select_parauceter [1:0])2*b00: CNT_GATA_VALUE = 500000; //gate 50ms2*b01: CNT:GATA:VALUE = 1000000; //gate 100ms2*bl0: CNT:GATA:VALUE = 10000000; //gate Is2^11: CNT:GATA:VALUE = 100000000; //gate 10sendcaseend(2)标准时钟和被测信号在实际闸门内计数。

基于FPGA的高精度频率计设计摘要频率计是一种应用非常广泛的电子仪器，也是电子测量领域中的一项重要内容，而高精度的频率计的应用尤为广泛。

目前宽范围、高精度数字式频率计的设计方法大都采用单片机加高速、专用计数器芯片来实现。

传统的频率测量利用分立器件比较麻烦，精度又比较低，输入信号要求过高，很不利于高性能场合应用。

本论文完成了高精度数字频率计硬件设计和软件设计。

该数字频率计主要包括FPGA和单片机两大部分。

其中FPGA部分又可分为数据测量模块、FPGA和单片机接口模块、FPGA和数码管动态扫描部分。

FPGA部分采用verilog语言编写了电路的各模块电路，选用了当前比较流行的EDA开发软件Quartus II作为开发平台，所有模块程序均通过了编译和功能仿真验证。

对测频系统的设计流程、模型的建立和仿真做出了具体详细的研究，验证了该系统的正确性。

单片机部分采用C51编写了控制软件。

本设计中以FPGA器件作为系统控制的核心，其灵活的现场可更改性，可再配置能力，对系统的各种改进非常方便，在不更改硬件电路的基础上还可以进一步提高系统的性能。

关键词：频率计，单片机，FPGA，电子设计自动化Design of High-accuracy Digital Frequency MeterBased on FPGAABSTRACTFrequency meter is a kind of electronic instrument applied widely. A kind of high-accuracy digital frequency meter is designed based on FPGA in this paper.At present extends the scope,the high accuracy digital frequency meter's design method to use the monolithic integrated circuit to add, the special-purpose counter chip mostly to realize high speed.The design of system hardware and system software is accomplished in the paper. System consists of FGPA and MCU. The circuit based on FPGA includes following some parts: data acquisition module, interface between FPGA and MCU, module scanning number tube. Every circuit module is realized by verilog.The platform of development is Quartus II and all modules procedure is demonstrated by compiling and simulation. Detailed research of design flow, model establishment and system simulation is done. The correctness of the system is demonstrated. The software based on MCU is programmed by C51.In this design takes the systems control by the FPGA component the core, its nimble scene alterability, may dispose ability again, is convenient to system's each kind of improvement, in does not change in hardware circuit's foundation also to be possible to further enhance system's performance.The system has the advantage of high-accuracy and convenience. It’s practicability of frequency meter is well.KEY WORDS: Frequency meter, MCU, FPGA, electronic design automation目录摘要........................................................................................................................................ I ABSTRACT .............................................................................................................................. I I 第1章绪论 (1)1.1研究背景及意义 (1)1.2国内外研究现状 (1)1.2.1 频率计的测量方法 (1)1.3EDA技术简介 (3)1.4本论文内容及安排 (4)第2章频率测量方法与原理 (6)2.1直接测频法 (6)2.2利用电路的频率特性进行测量 (7)2.2.1 电桥法测频 (8)2.2.2 谐振法测频 (8)2.2.3 频率—电压转换法测频 (8)2.3等精度测量法 (8)2.4本章小结 (10)第3章系统总体设计方案 (11)3.1频率计系统设计任务与分析 (11)3.1.1 频率计系统设计任务要求 (11)3.1.2 频率计系统设计任务分析 (11)3.2系统总体设计方案 (11)3.3FPGA内部功能模块设计 (12)3.4本章小结 (14)第4章系统的硬件电路设计 (15)4.1FPGA部分的硬件设计 (15)4.1.1 FPGA简介 (15)4.1.2 FPGA芯片的选型 (15)4.2单片机部分的硬件电路设计 (17)4.2.1 单片机的选型原则 (17)4.2.2 单片机控制电路的设计 (18)4.3外围电路设计 (19)4.3.1 键盘接口电路 (19)4.3.2 显示电路 (19)4.3.3 电源电路 (20)4.3.4 信号放大整形电路 (20)4.3.4 其它电路 (21)4.4本章小结 (22)第5章系统的软件设计 (23)5.1VERILOG HDL语言简介 (23)5.2QUARTUS II软件简介 (24)5.3基于EDA技术的设计方法 (25)5.3.1 自底向上的设计方法 (25)5.3.2 自顶向下的设计方法 (26)5.4FPGA内部功能模块设计 (26)5.4.1 D触发器模块 (27)5.4.2 32位高速计数器模块 (28)5.4.3 二选一选择器模块 (29)5.4.4 并—串转换接口模块 (31)5.4.5 串—并转换接口模块 (31)5.4.6 二进制数到8421BCD码转换模块 (32)5.4.7 LED动态扫描显示控制模块 (33)5.5单片机部分的软件设计 (35)5.6本章小结 (36)第6章结论 (37)致谢 (39)参考文献 (40)附录I 顶层原理图 (42)附录II VERILOG程序源代码 (43)基于FPGA的高精度频率计设计 1第1章绪论1.1 研究背景及意义在电子测量技术领域内，频率是一个最基本的参数。

基于FPGA的数字频率计设计随着科学技术的不断进步，数字电子技术在各个领域都得到了广泛的应用。

其中，FPGA（现场可编程门阵列）作为一种灵活、可编程、可重构的数字电路设备，具有较高的性能和灵活性，被广泛应用于数字信号处理、通信、图像处理等各个领域。

本篇文章将介绍基于FPGA的数字频率计设计。

一、概述数字频率计是一种用于测量信号频率的设备，可以方便快速地获取信号的频率信息。

传统的数字频率计通常采用微处理器或专用集成电路来实现，但是这些方案在某些应用场景下存在着局限性。

使用FPGA来设计数字频率计，既可以充分利用FPGA的灵活性和并行性，又可以实现高性能和低功耗的设计。

二、基于FPGA的数字频率计设计原理基于FPGA的数字频率计主要通过计数器和时钟信号来实现。

其设计原理可以分为以下几个步骤：1. 时钟信号同步：通过FPGA内部的PLL（锁相环）模块，可以实现时钟信号的同步和稳定。

2. 信号输入：将待测信号输入FPGA，可以通过外部接口或模拟输入模块实现。

3. 计数器设计：利用FPGA内部的计数器模块，对输入信号进行计数，从而获取信号的频率信息。

4. 频率计算：根据计数器的计数值和时钟信号的周期，可以计算出输入信号的频率信息。

三、基于FPGA的数字频率计设计实现基于上述原理，可以利用FPGA内部的逻辑资源，设计出一个高性能的数字频率计。

具体实现步骤如下：1. 确定输入信号的接口：选择适合的输入接口，可以是数字信号接口、模拟信号接口或者通用IO口。

2. 设计计数器模块：根据待测信号的频率范围和精度要求，设计合适的计数器模块，可以结合FPGA的时钟管理模块实现高精度计数。

3. 编写频率计算算法：根据计数器得到的计数值和时钟信号的周期，设计频率计算算法，可以采用移位运算、累加运算等实现高效的频率计算。

4. 实现显示与输出：设计合适的显示模块和输出接口，将测得的频率信息在显示屏或者外部设备上进行输出。

四、基于FPGA的数字频率计设计应用基于FPGA的数字频率计设计可以广泛应用于各种领域，如通信、测控、仪器仪表等。

班级：测控一班学号：2907101002姓名：李大帅指导老师：李颖基于FPGA的数字频率计设计报告一、系统整体设计设计要求:1、被测输入信号：方波2、测试频率范围为：10Hz～100MHz3、量程分为三档：第一档：闸门时间为1S时，最大读数为999.999KHz第二档：闸门时间为0.1S时，最大读数为9999.99KHz第三档：闸门时间为0.01S时，最大读数为99999.9KHz。

4、显示工作方式：a、用六位BCD七段数码管显示读数。

b、采用记忆显示方法c、实现对高位无意义零的消隐。

系统设计原理:所谓“频率”，就是周期性信号在单位时间(1秒)内变化的次数。

若在一定的时间间隔T内计数，计得某周期性信号的重复变化次数为N，则该信号的频率可表达为：f = N / T .基于这一原理我们可以使用单位时间内对被测信号进行计数的方法求得对该信号的频率测量,具体实现过程简述如下: 首先，将被测信号①(方波)加到闸门的输入端。

由一个高稳定的石英振荡器和一系列数字分频器组成了时基信号发生器，它输出时间基准(或频率基准)信号③去控制门控电路形成门控信号④，门控信号的作用时间T是非常准确的(由石英振荡器决定)。

门控信号控制闸门的开与闭，只有在闸门开通的时间内，方波脉冲②才能通过闸门成为被计数的脉冲⑤由计数器计数。

闸门开通的时间称为闸门时间，其长度等于门控信号作用时间T。

比如，时间基准信号的重复周期为1S，加到闸门的门控信号作用时间T亦准确地等于1S，即闸门的开通时间——“闸门时间”为1S。

在这一段时间内，若计数器计得N=100000个数，根据公式f = N / T，那么被测频率就是100000Hz。

如果计数式频率计的显示器单位为“KHz”，则显示100.000KHz，即小数点定位在第三位。

不难设想，若将闸门时间设为T=0.1S，则计数值为10000，这时，显示器的小数点只要根据闸门时间T的改变也随之自动往右移动一位(自动定位)，那么，显示的结果为100.00Khz。

基于FPGA的数字频率计的设计学生专业：学生姓名：指导教师：摘要数字频率计是近代电子技术领域的重要测量工具之一，同时也是其它许多领域广泛应用的测量仪器。

它在规定的基准时间内把测量的脉冲数记录下来，换算成频率并以数字形式显示出来。

在许多测量方案以及测量结果中都会涉及到频率测量的相关问题，频率精确测量的重要性显而易见。

本设计在了解频率计的基本原理的基础上，基于直接测频法的测试手段，即在一定闸门时间内测量被测信号的脉冲个数；设计频率计的测量范围为1Hz-99.99MHz。

将设计分为六个模块，即顶层模块，分频模块，计数模块，单位选择模块，数码管位选模块，转换模块。

采用硬件描述语言Verilog HDL编写了各个模块的代码，并且利用Quartus II软件平台进行了功能的仿真，从而完成输入被测频率，通过选择不同档位，精确输出测量值，达到了预期目标。

关键词数字频率计；直接测频法；Verilog HDL；Quartus IIAbstractDigital frequency meter modern electronic technology is one of the important measurement tools and other areas widely used measuring instrument. It stipulated in the benchmark time to measure the number of pulses recording, the conversion into frequency and displayed in digital form. In many survey scheme and measurement results involve frequency measurements of related problems, the importance of accurate measurement of frequency is obvious.This design in understanding the basic principle of the frequency meter, on the basis of direct frequency measurement method based on the means testing, that is, in a certain gate time measurement of the measured signal pulse number; Design the frequency meter measuring range of 1 Hz-99.99 MHz. Will design is divided into six parts, a top-level module, points frequency modules, count module, the unit choose module, digital tube a chosen module, conversion module The hardware description language Verilog HDL write each module of the code, and make use of Quartus II software platform functions of the simulation. Then measured input frequency, by choosing different rank, precise output measured values, and reach the expected goal.Keywords Digital frequency plan；Direct frequency measurement method ；Verilog HDL；Quartus II目录摘要 (I)Abstract (II)第1章绪论 (1)1.1课题背景和意义 (1)1.2国内外发展情况 (1)第2章频率计测量原理及Verilog HDL概述 (3)2.1数字频率计测量原理 (3)2.1.1 直接计数测频法 (3)2.1.2 等精度测频法 (5)2.1.3 全同步测频法 (6)2.2Verilog HDL概述 (7)2.2.1 Verilog HDL介绍 (7)2.2.2 Verilog HDL程序开发流程 (8)2.3本章小结 (8)第3章数字频率计模块设计 (9)3.1数字频率计设计指标 (9)3.2数字频率计各个模块 (10)3.2.1 顶层模块fre_counter (10)3.2.2 分频模块clk_gen (12)3.2.3 计数模块count (14)3.2.4 单位控制模块count_4units (15)3.2.5 数码管位选模块led_sel (15)3.2.6 转换模块transform (17)3.3本章小结 (18)第4章数字频率计仿真 (19)4.1分频模块仿真波形 (19)4.2计数模块仿真波形 (19)4.3单位控制模块仿真波形 (20)4.4数码管位选模块 (20)4.5转换模块 (21)4.6本章小结 (21)第5章芯片介绍和管脚分配 (22)5.1FPGA芯片介绍 (22)5.2代码管脚分配图 (22)5.3顶层原理图效果图 (23)5.4本章小结 (23)结论 (24)致谢 (25)参考文献 (26)附录1程序源代码 (28)CONTENTSAbstract(Chinese) (I)Abstract(English) (II)Chapter 1 Introduction (1)1.1 Background and Significance (1)1.2 Domestic and foreign development (1)Chapter 2 Principle and Verilog HDL overview (3)2.1 Measuring principle (3)2.1.1 Direct count frequency measurement method (3)2.1.2 Precision frequency measurement method (5)2.1.3 With all BuCe frequency method (6)2.2 Verilog HDL overview (7)2.2.1 Verilog HDL introduction (7)2.2.2 Verilog HDL program development processes (8)2.3 Chapter summary (8)Chapter 3 Digital frequency plan module design (9)3.1 Digital frequency plan design index (9)3.2 Digital frequency plan each module (10)3.2.1 Fre_counter top-level module (10)3.2.2 Points clk_gen frequency modules (12)3.2.3 Count count module (14)3.2.4 The unit control module count_4units (15)3.2.5 Digital tube a choose led_sel module (15)3.2.6 Conversion module transform (17)3.3 Chapter summary (18)Chapter 4 Digital frequency plan simulation (19)4.1Points frequency modules simulation waveform (19)4.2 Count module simulation waveform (19)4.3 The unit control module simulation waveform (20)4.4 Digital tube a chosen module (20)4.5 Conversion module (21)4.6 Chapter summary (21)Chapter 5 Chip introduction and tube foot distribution (22)5.1 Introduced FPGA chip (22)5.2The code to pin assignment graph (22)5.3 Top principle diagram rendering (23)5.4 Chapter summary (23)Conclusion (24)Acknowledgement (25)References (26)Appendix 1 program (28)第1章绪论1.1课题背景和意义随着数字电路应用越来越广泛，传统的通用数字集成电路芯片已经很难满足系统功能的要求，而且随着系统复杂程度的不断增加，所需通用集成电路的数量呈爆炸性增长，使得电路板的体积迅速膨胀，系统可靠性难以保证[1]。

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20世纪末，数字电子技术得到了飞速发展，有力地推动和促进了社会生产力的发展和社会信息化的提高，数字电子技术的应用已经渗透到人类生活的各个方面。

从计算机到手机，从数字电话到数字电视，从家用电器到军用设备，从工业自动化到航天技术，都尽可能采用了数字电子技术。

现代电子设计技术的核心是EDA技术。

EDA技术就是以计算机为工具，在EDA软件平台上，对硬件语言HDL为系统逻辑描述手段完成的设计文件，自动的完成逻辑编译、逻辑化简、逻辑综合及优化、逻辑仿真，直至对特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作（文本选用的开发工具为Altera公司的MAX+PLUSII）。

EDA的仿真测试技术只需要通过计算机就能对所设计的电子系统从各种不同层次的系统性能特点完成一系列准确的测试与仿真操作，大大提高了大规模系统电子设计的自动化程度。

设计者的工作仅限于利用软件方式，即利用硬件描述语言（如VHDL）来完成对系统硬件功能的描述。

EDA技术使实现，极大地提高了设计效率，缩短了设计周期，节省了设计成本。

今天EDA技术已经成为电子设计的重要工具，无论是设计芯片还是设计系统，如果没有EDA工具的支持，都将是难以完成的。

EDA工具已经成为现代电路设计工程师的重要武器，正在发挥越来越重要的作用。

为了提高自身的实践能力与专业知识应用能力，为了更快地与社会实际和社会需要接轨，这次毕业设计我选择了以EDA技术为方向，设计数字频率计，在所参考的文献中，都包含了这一技术。

相信通过此次毕业设计将为我更全面更系统更深入地掌握EDA技术打下良好的基础。

EDA发展历程EDA技术伴随着计算机、集成电路、电子系统设计的发展，经历了三个发展阶段，即：20世纪70年代发展起来的CAD技术；0世纪80年代开始应用的CAE技术；20世纪90年代后期，出现的以硬件描述语言、系统级仿真和综合技术为特征的EDA技术，这时的EDA工具不仅具有电子系统设计的能力，而且能提供独立于工艺和厂家的系统级设计能力，具有高级抽象的设计构思手段。

基于FPGA的数字频率计的设计摘要：数字频率计（FREQ）是一种用于计算信号频率的设备。

本文提出了一种基于FPGA的数字频率计的设计方案，使用Verilog HDL实现了数字频率计，可以实现输入信号频率的测量和显示。

该数字频率计的设计具有快速响应、低延迟、高精度的特点，并且适用于各种频率范围的输入信号。

关键词：数字频率计；FPGA；Verilog HDL；测量；显示；精度1. 简介数字频率计是一种用于测量信号频率的设备，广泛应用于电子、通信、计算机等领域。

传统的频率计一般采用模拟电路实现，但其精度和速度有限，且易受到噪声和温度等因素的影响，难以应用于高精度和高速测量。

随着FPGA技术的不断发展，基于FPGA的数字频率计逐渐成为一种新的解决方案。

2. 设计方案本文提出了一种基于FPGA的数字频率计的设计方案，使用Verilog HDL实现了数字频率计，可以实现输入信号频率的测量和显示。

数字频率计的核心是计数器，通过计数器来测量输入信号的周期，并计算出信号的频率。

本设计方案采用了高速计数器的设计思路，具体步骤如下：(1) 输入信号经过芯片引脚电路，进入FPGA芯片。

(2) FPGA内置的输入输出模块将输入信号进行采样和滤波处理，得到纯净的数字信号。

(3) 数字信号经过计数器进行计数，计数值存储在计数器的寄存器中。

(4) 计数值经过时钟分频和计算，得到输入信号的周期和频率。

(5) 输入信号的频率通过显示模块在数码管或LCD显示屏上显示，同时可以通过按键或旋转编码器进行设置和控制。

3. 实验结果本设计方案采用ALTERA CYCLONE III系列FPGA芯片，频率范围从1Hz到50MHz，精度为0.01Hz。

实验结果表明，数字频率计响应速度快，延迟较低（约为100ns），精度高（误差小于0.1%），同时可以适应各种信号频率范围的测量。

4. 总结本文提出了一种基于FPGA的数字频率计的设计方案，采用了高速计数器的设计思路，具有快速响应、低延迟、高精度的特点，并且适用于各种频率范围的输入信号。

基于FPGA的等精度频率计的设计一、引言频率计是一种广泛应用于电子领域的仪器设备，用于测量信号的频率。

常见的频率计有软件频率计和硬件频率计两种。

软件频率计主要基于计算机软件，通过采集到的信号数据来计算频率。

硬件频率计则是基于专用的硬件电路，直接对信号进行采样和处理，具有实时性强、准确度高的优点。

本文将基于FPGA设计一种等精度频率计，旨在实现高精度、高稳定性的频率测量。

二、设计原理本设计采用基于FPGA的硬件频率计方案，其主要原理是通过对输入信号的时间计数，并结合固定参考值，计算出信号的频率。

具体流程如下：1.信号输入：将待测量的信号输入至FPGA芯片，输入信号的幅度应符合输入电平范围。

2.信号计数：利用FPGA芯片内部的计数器，对输入信号进行计数，并记录计数器的数值。

计数器的值与输入信号的频率成反比，即计数器值越大，信号频率越低。

3.定时器触发：通过定时器产生一个固定的参考信号，用于触发计数器的复位操作。

定时器的频率应足够高，以保证计数器能够实时精确计数。

4.数据处理：计数器值与定时器触发的时间周期共同决定了输入信号的频率。

通过计算参考值与计数器值的比例，可以得到准确的频率值。

5.结果输出：将计算得到的频率值输出至显示屏或其他外部设备，以便用户进行查看。

三、设计方案1.FPGA选型：选择一款适合频率计设计的FPGA芯片，要求其具有较高的计数能力、较大的存储空间和丰富的外设接口。

2.输入电路设计：设计一个合适的输入电路，将待测信号进行电平调整和滤波处理，以确保输入信号的稳定性和合适的幅度范围。

3.计数器设计：利用FPGA内部的计数器模块，进行计数操作。

根据需要选择适当的计数器位宽，以满足待测频率范围的要求。

4.定时器设计：通过FPGA内部的时钟源和计时器模块，设计一个精确的定时器，用于触发计数器的复位操作。

定时器的频率要足够高，以保证计数的准确性。

5.数据处理设计：利用FPGA内部的算数逻辑单元(ALU)对计数器值进行处理，计算得到准确的频率值。