基于FPGA的数字频率计的设计
基于FPGA的等精度数字频率计设计(修订版)
基于FPGA的等精度数字频率计设计微电子学与固体电子学张嘉伟113114312目录摘要 (3)第一章课题背景 (4)第二章方案设计及原理 (4)1 多周期同步测频率测量原理 (4)2 设计实现 (6)2.1 FPGA程序设计 (6)2.2 DSP程序设计 (7)第三章主要模块的Verilog程序 (8)1 计数器 (8)2 除法器 (8)3 分频器 (11)4 BCD模块 (11)第四章仿真结果 (12)第五章设计总结 (13)参考文献 (13)摘要本文主要论述了利用FPGA进行测量频率计数，FPGA实施控制实现多功能频率计的设计过程。
该频率计利用等精度的设计方法，克服了基于传统测频原理的频率计的测量精度随被测信号频率的下降而降低的缺点。
等精度的测量方法不但具有较高的测量精度，而且在整个频率区域包成恒定的测试精度。
根据多周期同步测频率法的原则，选取了多周期同步测频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：FPGA；等精度；频率计第一章课题背景随着大规模集成电路技术的发展及电子产品市场运作节奏的进一步加快，涉及诸如计算机应用、通信、智能仪表、医用设备、军事、民用电器等领域的现代电子设计技术已迈入一个全新的阶段。
专家预言，未来的电子技术时代将是EDA 的时代，PLD作为EDA技术的一项重要技术，是电子设计领域中最具活力和发展前途的一项技术，它的影响丝毫不亚于70年代单片机的发明和使用。
在电子测量技术中，频率测量是最基本的测量之一。
工程中很多测量，如用振弦式测量力、时间测量、速度测量、速度控制等，都设计到频率测量，或可归结为频率测量。
而常用的直接测量方法在使用中有较大的局限性，其测量精度随着被测信号频率的下降而降低，并且对被测信号的计数要产生±1个数字误差。
采用等精度频率测量方法具有测量精度保持恒定，不随所测信号的变化而变化；结合FPGA，具有集成度高、告诉和高可靠性的特点，是频率的测频范围可达到0.1Hz-50MHz，测频全域相对误差恒为百万分之一。
基于FPGA的数字频率计的设计
沈 磊 ， 善 化 （ 徽 理 工 大 学 电气 与信 息 工 程 学 院 ， 徽 淮 南 ２ ２ ０ ） 姚 安 安 ３ ０ １
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基于FPGA的数字频率计实验报告(能测占空比)
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
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。
基于 fpga 的数字频率计的设计与实现
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的数字式频率计设计报告
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的数字频率计的设计
1200 引言电子技术中,频率是最基本的参数之一,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。
数字频率计是电子测量与仪表技术最基础的电子仪器之一,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。
与传统的频率计相比,数字频率计具有精度高、测量范围大、可靠性好等优点,是频率测量的重要手段之一。
1 设计方案工作原理1.1 系统方案1.1.1 宽带通道放大器方案一:OPA690固定增益直接放大。
由于待测信号频率范围广,电压范围大,故选用宽带运算放大器OPA69,5V双电源供电,对所有待测信号进行较大倍数的固定增益。
对于输入的正弦波信号,经过OPA690的固定增益,小信号得到放大,大信号削顶失真,所以均可达到后级滞回比较器电路的窗口电压。
方案二:基于VCA810的自动增益控制(AGC)。
AGC电路实时调整高带宽压控运算放大器VCA810的增益控制电压,通过负反馈使得放大后的信号幅度基本保持恒定。
尽管方案一中的OPA690是高速放大器,但是单级增益仅能满足本题基本部分的要求,而在放大高频段的小信号时,增益带宽积的限制使得该方案无法达到发挥部分在频率和幅度上的要求[1]。
方案二中采用VCA810与OPA690级联放大,并通过外围负反馈电路实现自动增益控制。
该方案不仅能够实现稳定可调的输出电压,而且可以解决高频小信号单级放大时的带宽问题。
故采用基于VCA810的自动增益控制方案。
1.1.2 脉冲整形电路因为输入脉冲信号幅度值不固定,当幅值较小时无法进入FPGA进行频率的测量,故采用轨至轨高速比较器TLV3501,响应时间为4.5ns,输出高电平5V,输出低电平0V,这样无需AGC放大即可进入FPGA进行频率测量。
1.1.3 主控电路方案一:采用诸如MSP430、STM32等传统单片机作为主控芯片。
单片机在现实中与FPGA连接,建立并口通信,完成命令与数据的传输。
方案二:在FPGA内部利用逻辑单元搭建片内单片机Avalon,在片内将单片机和测量参数的数字电路系统连接,不连接外部接线[2]。
基于fpga的数字频率计设计
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。
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Abstract:The frequency meter with digital frequency meter is directly in the decimal to display the measured signal of the frequency of a measuring instrument. This design in CPLD device with Verilog HDL on its digital frequency meter frequency measurement system, to be able to use the decimal digital display measured the frequency of the signal, able to measure the sine wave, square wave, triangle wave and the frequency of the signal, but also to other a variety of physical quantity measurement. The advantages of small size, high reliability, low power consumption characteristics. Digital frequency plan is a computer, communication equipment, audio video in scientific research production field indispensable measuring instrument. Based on frequency measurement principle and FPGA design thought, this paper presents a new digital frequencymeasurement system, the design of the system Verilog HDL language, using the top-down design thought, system function will take according to the division of the step by step a hierarchical design method. In the specific implementation, with FPGA for central processor to be measured frequency signal sampling period, by calling the macro Quartus II module occupies emptiescompared calculation.
课 程 设 计 说 路设计
日期：2011年5月30日
摘要:频率计具有数字频率计是直接用十进制来显示被测信号频率的一种测量装置。本设计用Verilog HDL在CPLD器件上实现数字频率计测频系统，能够用十进制数码显示被测信号的频率，能够测量正弦波、方波、三角波等信号的频率，而且还能对其他多种物理量进行测量。具有体积小、可靠性高、功耗低的特点。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。基于测频原理及FPGA的设计思想,给出了一种新型数字测频系统的设计方案,系统采用Verilog HDL语言,运用自顶向下的设计思想,采取将系统按功能逐层分割的层次化设计方法。在具体实现上,以FPGA为中央处理器对被测频率信号进行周期采样,通过调用Quartus II的宏功能模块进行占空比计算。
1.2
EDA技术的发展经历了一个由浅到深的过程。二十世纪70年代，随着中小集成电路的开发应用传统的手工制图设计印刷电路板和集成电路的方法已无法满足设计精度和效率的要求，因此工程师们开始进行二维平面图形的计算机辅助设计，以便解脱复杂 机械的版图设计工作，这就产生了第一带EDA工具。
到了80年代，为了适应电子产品在规模和制作上的需要，应用出现了计算机仿真和自动布线为核心技术的二代EDA技术。其特点是以软件工具为核心，通过这些软件完成产品开发的设计、分析、生产、测试等各项工作。
Keywords:the FPGA chip, Verilog HDL language, digital cymometer, the digital cymometer account principle diagram andQuartus IIsoftware.
1、
1.1EDA技术的介绍
EDA是电子设计自动化（Electronic Design Automation）缩写，是90年代初从CAD（计算机辅助设计）、CAM（计算机辅助制造）、CAT（计算机辅助测试）和CAE（计算机辅助工程）的概念发展而来的。EDA技术是以计算机为工具，根据硬件描述语言HDL（ Hardware Description language）完成的设计文件，自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合及优化、布局布线、仿真以及对于特定目标芯片的适配编译和编程下载等工作。
硬件描述语言HDL是相对于一般的计算机软件语言，如：C、PASCAL而言的。HDL语言使用与设计硬件电子系统的计算机语言，它能描述电子系统的逻辑功能、电路结构和连接方式。设计者可利用HDL程序来描述所希望的电路系统，规定器件结构特征和电路的行为方式；然后利用综合器和适配器将此程序编程能控制FPGA和CPLD部结构，并实现相应逻辑功能的的门级或更底层的结构网表文件或下载文件。目前，就FPGA/CPLD开发来说，比较常用和流行的HDL主要有ABEL-HDL、AHDL和VHDL。