基于FPGA的高精度数字频率计的设计

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２２０）姚安安３０１
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现场可编程门阵
图１数字频率计的原理框图
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据不同的需要还可以重新编程下载，行升级｝进Ｉ。
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摘要：硬件描述语言ＶＤ对频率ｔ用ＨＬｔ系统进行设计，此程序在ＥＡ软件平台ＭＤｐｕＩ上编译仿真后，作ｌｓＩ制出其硬件电路板，再将程序下载到ＦＧＰＡ模块中实现。件设计中只需一个下载芯片Ｅ２５剩余皆是输入输出部硬ＰＣ，分，包括时钟和数码管驱动以及发光二檄管，大大地简化了电路结构的复杂性。又提高了电路的稳定性。

基于FPGA和单片机的高精度数字频率计的设计与实现

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。

学位论文—基于fpga的数字频率计的设计论文

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。

基于FPGA的高精度频率计的设计与实现

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｍｅａｓｕｒｅｔｈｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｏｆａｓｉｎｕｓｏｉｄａｌｓｉｇｎａｌｉｎｈｉｇｈｐｒｅｃｉｓｉｏｎ，ｔｈｅａｒｔｉｃｌｅｄｅｓｉｇｎｓａｄｉｇｉｔｆｒｅｑｕｅｎｃｙｍｅｔｅｒｂａｓｅｄｏｎＦＰＧＡ（ｆｉｅｌｄｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅｇａｔｅａｒｒａｙ）．Ｂｅｓｉｄｅｓｍｅａｓｕｒｉｎｇｆｒｅｑｕｅｎｃｙ，ｔｈｅｄｅｖｉｃｅｃａｎａｌｓｏｍｅａｓｕｒｅｔｈｅｔｉｍｅｉｎｔｅｒｖａｌｏｆｔｗｏｓｑｕａｒｅｓｉｇｎａｌｓａｎｄｔｈｅｄｕｔｙｒａｔｉｏｏｆａｐｕｌｓｅｓｉｇｎａ１．ＷｉｔｈＦＰＧＡａｎｄＭＣＵ（ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｕｎｉｔ）ａｓｔｈｅｋｅｒｎｅｌ。ｔｈｅｍｅｔｅｒａｄｏｐｔｓｔｈｅｍｅｔｈｏｄｃａｌｌｅｄ‘ ＰａｒａｌｌｅｌＭｕｌｔｉ — ＷａｙｓＣｏｕｎｔｉｎｇＭｅｔｈｏｄ’ｔｏｒｅａｌｉｚｅｔｈｅｈｉｇｈｐｒｅｃｉｓｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ．Ｓｐｅｃｉｆｉｃａｌｌｙ，ｓｉｇｎａｌｓｗｏｕｌｄｉｎｐｕｔＦＰＧＡａｆｔｅｒｈｉｇｈｆｒｅｑｕｅｎｃｙａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎｍｏｄｕｌｅａｎｄｈｉｇｈｆｒｅｑｕｅｎｃｙｃｏｍｐａｒｉｎｇｍｏｄｕｌｅ．Ａｎｄｔｈｅｎｓｉｇｎａｌｓｗｏｕｌｄｂｅｄｉｖｉｄｅｄｉｎｔｏｍｕｌｔｉ－ｗａｙｓｔｏｄｅｃｒｅａｓｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｂｙｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｉｍｅｓａｎｄｂｅｃｏｕｎｔｅｄｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｌｙ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ＭＣＵｗｏｕｌｄｓｅｌｅｃｔｔｈｅｍｏｓｔａｃｃｕｒａｔｅｒｅｓｕｌｔａｎｄｇｅｔｔｈｅｆｉｎａｌｒｅｓｕｌｔａｆｔｅｒｃｏｍｐｕｔｉｎｇ．Ａｆｔｅｒｔｈｅｔｅｓｔ，ｔｈｅｍｅｔｅｒｃａｎｍｅａｓｕｒｅｔｈｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｏｆａｓｉｎｕｓｏｉｄａｌｓｉｇｎａｌｆｒｏｍ１Ｈｚｔｏ１９９ＭＨｚａｎｄｆｒｏｍ１０ｍＶｒｍｓｔｏｌＶｒｍｓｗｉｔｈｔｈｅｒｅｌａｔｉｖｅｅｒｒｏｒｎｏｔａｂｏｖｅ０．０００１；ｔｈｅｍｅｔｅｒｃａｎｍｅａｓｕｒｅｔｈｅｔｉｍｅｉｎｔｅｒｖａｌｏｆｔｗｏｓｑｕａｒｅｓｉｇｎａｌｓｆｒｏｍ５０ｍＶｔｏ１Ｖａｎｄｆｒｏｍ１００Ｈｚｔｏ１ＭＨｚｗｉｔｈｔｈｅｒｅｌａｔｉｖｅｅｒｒｏｒｎｏｔａｂｏｖｅ１；ｔｈｅｍｅｔｅｒｃａｎｍｅａｓｕｒｅｔｈｅｄｕｔｙ

基于FPGA和单片机的高精度数字频率计的设计与实现

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

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

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

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报告.doc

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]。