基于FPGA和单片机的高精度数字频率计的设计与实现

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 的数字频率计的设计2004级电子信息工程专业 何亚军 指导教师 曾技摘要 随着数字电子技术的发展，频率测量成为一项越来越普遍的工作，在电子工程、资源勘探等相关应用上，频率计是工程技术人员必不可少的测量工具。

因此，测频原理及方法的研究正受到越来越多的关注。

目前许多高精度的数字频率计都采用单片机加上外部的高速计数器来实现。

但难以提高计数器的工作频率，而且测量的精度不高。

因此采用可编程逻辑器件(FPGA)来实现数字频率计。

应用VHDL 进行自顶向下的设计，即使用VHDL 模型在所有综合级别上对硬件设计进行说明、建模和仿真测试。

通过逻辑综合后，把适配生成的配置文件，通过编程器向FPGA\CPLD 进行下载。

最后进行硬件调试与验证。

本设计的系统除了脉冲整形、显示部分的电路不在可编程电路之中，其余的电路都集成在可编程逻辑器件中。

本设计具有测频范围宽、精度高、可靠性高等优点。

符合现代EDA 设计的要求。

关键词 频率，可编程逻辑器件，电子设计自动化，硬件描述语言1 绪论在电子技术领域内，频率与电压一样，也是一个基本参数。

随着现代科技的发展，时间及频率计量的意义已日益明显。

例如，在卫星发射、导弹跟踪、飞机导航、潜艇定位、大地测量、天文观测、邮电通信、广播电视、交通运输、科学研究、生产及生活等各个方面，都需要对时间及频率的计量，也都离不开对时间及频率的计量。

因此，测频原理及方法的研究正受到越来越多的关注。

目前多用电子计数器测频，它具有测量精度高、速度快、自动化程度高、操作简便、直接显示数字等特点，尤其是与微处理器相结合，实现了程控化和智能化，构成智能化计数器。

目前，电子计数器几乎取代了模拟式测量仪器。

而电子计数器测频法又有两种实现方法：直接计数测频法和等精度测频法。

直接计数测频法只是简单地记下单位时间内周期信号的重复次数，其计数值会有1±个计数误差。

此方法的测量精度主要取决于基准时间和计数器的计数误差。

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＝Ｎ／Ｔ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=1/ГX=N/TR。

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＝１／Ｔ（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＝ГX／TR，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＝Ｎ／Ｔ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=1/ГX=N/TR。

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。

基于FPGA的频率计的设计和实现金鹏湖北理工学院湖北省黄石市 435000摘要频率计是一种重要的电子测量仪器，本文主要针对使用FPGA（Field Programmable Gate Array）制作一个简单的频率计。

以FPGA（Field Programmable Gate Array）为核心，基于Verilog HDL语言来设计与实现数字频率计。

该频率计具有体积小，性能稳定的特点。

使用FPGA可以顺利设计和实现数字频率计。

关键词：FPGA，频率计，Verilog HDLDesign and implementation of FPGA based on the frequency meterJin pengHubei institute of technology Huangshi city of hubei provinceAbstractFrequency meter is an important electronic measuring instruments, and this article is focused on using FPGA (Field Programmable Gate Array) produced a simple frequency meter. FPGA (Field Programmable Gate Array), design and realization of the digital frequency meter based on Verilog HDL language. The frequency meter has a small size, stable performance characteristics. FPGA can successfully design and implement digital frequency meter.Key words: FPGA, frequency meter, Verilog HDL1总体方案1.1引言频率计又称为频率计数器，频率计最基本的工作原理为：当被测信号在特定时间段T内的周期个数为N时，则被测信号的频率f=N/T。

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。

基于FPGA和单片机的高精度数字频率计的设计与实现作者：崔凯杨天虹席贯周嘉维来源：《数字技术与应用》2019年第11期摘要：本文主要介绍了一种基于FPGA和单片机的高精度数字频率计的设计与实现。

51单片机实现计算功能，液晶屏完成数据显示，FPGA对被测信号计数并将测量结果发送给单片机。

实现了频率范围为1Hz～10MHz、有效电压范围为50mV～1V 的正弦波信号频率和周期的测量;以及频率范围在100Hz～1MHz、峰峰值电压范围50mV～1V 的两路同频周期方波信号的时间间隔测量，时间间隔测量范围为0.1μs～10ms。

关键词：FPGA;51单片机;频率测量;时间间隔测量中图分类号：TN828.6 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）11-0162-020 引言随着电子技术的发展，快速准确地获得各种电子信号的频率显得尤为重要。

传统以单片机为核心的数字频率计，在测量精度、测量范围、功能以及操作上均有较大改善空间。

基于FPGA的数字频率计很大程度上解决了测量范围、稳定度与精度的问题。

目前数字频率计的设计可以直接面向用户需求进行设计，设计过程除了系统行为和功能描述以外，其余所有的设计过程几乎都可以用计算机来自动完成，也就是说做到电子设计自动化。

1 高精度数字频率计的基本工作原理数字频率计的主要功能是测量周期信号的频率，频率为在每个单位时间内信号周期变化的次数。

在选定的时间内对信号的波形进行计数，便能得到该被测信号的频率。

为确保设计的精度与准确性，首要的就是获取准确的计数时间，在此基础上将被测信号转换成波形与幅度都能被电路识别的脉冲信号，然后通过计数器获得单位时间内的脉冲个数，将其结果通过换算显示出来。

2 高精度数字频率计的硬件设计系统主要由放大整形电路、FPGA和C8051F020单片机组成。

其中，波形放大整形电路的功能是将输入信号变换成标准矩形波信号，达到FPGA可测量的目的;FPGA主要完成频率和脉宽的测量，既能对输入信号以及标准信号的数目进行计数，又对输入信号的高电平时间进行计数完成脉宽测量。

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和单片机的多功能等精度频率计设计摘要基于传统测频原理的频率计的测量精度将随着被测信号频率的下降而降低，在实用中有很大的局限性，而等精度频率计不但有较高的测量精度，而且在整个测频区域内保持恒定的测试精度。

运用等精度测量原理，结合单片机技术设计了一种数字频率计，由于采用了屏蔽驱动电路及数字均值滤波等技术措施，因而能在较宽定的频率范围和幅度范围内对频率，周期，脉宽，占空比等参数进行测量，并可通过调整闸门时间预置测量精度。

选取的这种综合测量法作为数字频率计的测量算法，提出了基于FPGA 的数字频率计的设计方案。

给出了该设计方案的实际测量效果，证明该设计方案切实可行，能达到较高的频率测量精度。

关键词等精度测量，单片机，频率计，闸门时间，FPGAABSTRACTAlong with is measured based on the traditional frequency measurement principle frequency meter measuring accuracy the signalling frequency the drop but to reduce, in is practical has the very big limitation, but and so on the precision frequency meter not only has teaches the high measuring accuracy, moreover maintains the constant test precision in the entire frequency measurement region. Using and so on the precision survey principle, unified the monolithic integrated circuit technical design one kind of numeral frequency meter, because has used the shield actuation electric circuit and technical measure and so on digital average value filter, thus could in compared in the frequency range and the scope scope which the width decided to the frequency, the cycle, the pulse width, occupied parameter and so on spatial ratio carries on the survey, and might through the adjustment strobe time initialization measuring accuracy. Selection this kind of synthesis measured the mensuration took the digital frequency meter the survey algorithm, proposed based on the FPGA digital frequency meter design proposal. Has produced this design proposal actual survey effect, proved this design proposal is practical and feasible, can achieve the high frequency measurement precisionKeywords Precision survey, microcontroller, frequency meter, strobe time，field programmable gate array1 绪论测量频率是电子测量技术中最常见的测量之一。

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。