基于FPGA的高精度频率计设计实验报告
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。
(完整版)基于FPGA的等精度频率计的设计与实现毕业设计
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。
电子科技大学 电子技术实验 FPGA 频率计 实验报告
《现代电子技术综合实验》论文报告29013050XX XXX中文摘要摘要:随着电子信息产业的不断发展，信号频率的测量在科技研究和实际应用中的作用日益重要。
传统的频率计通常是用很多的逻辑电路和时序电路来实现的，这种电路一般运行缓慢，而且测量频率的范围比较小。
考虑到上述问题，本文设计一个基于FPGA技术的数字频率计。
首先，我们把方波信号送入计数器里进行计数，获得频率值；最后把测得的频率数值送入显示电路里进行显示。
本文从频率计的具体设计触发，详细阐述了基于FPGA的数字频率计的设计方案，设计了各模块的代码，并对硬件电路进行了仿真。
关键词：FPGA，VHDL，频率计，测量一、引言随着电子信息产业的发展，信号作为其最基础的元素，其频率的测量在科技研究和实际应用中的作用日益重要，而且需要测频的范围也越来越宽。
传统的频率计通常采用组合电路和时序电路等大量的硬件电路构成，产品不但体积较大，运行速度慢，而且测量范围低，精度低。
因此，随着对频率测量的要求的提高，传统的测频的方法在实际应用中已不能满足要求。
因此我们需要寻找一种新的测频的方法。
随着FPGA技术的发展和成熟，用FPGA来做为一个电路系统的控制电路逐渐显示出其无与伦比的优越性。
因此本采用FPGA来做为电路的控制系统，设计一个能测量10Hz 到100MHz的数字频率计。
用FPGA来做控制电路的数字频率计测量频率精度高，测量频率的范围得到很大的提高。
二、项目任务与设计思路1、实验项目数字频率计的设计2、实验指标被测输入信号：方波测试频率范围为：10Hz～100MHz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。
3、实验思路根据实验指标，将电路设计分成6个模块：分频器，闸门选择，门控电路，计数器，锁存器，显示控制。
FPGA频率计实验报告
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。
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。
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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硬件频率计模块的方案及流程。
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 1
3.2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Pentium100 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.xise
2. 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出信号，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时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、1s、10s 中切换。
具体代码如下图。
（2）标准时钟和被测信号在实际闸门内计数。
标准时钟的计数结果N s放到mea_cnt_fs 中，被测信号的计数结果为N x放到mea_cnt_fx中，输出以上计数结果，并同时输出测频完成标志mea_flag，具体代码如下图。
b. 测周模块（period_measure.v）
测周模块的基本功能是把被测信号作为闸门信号，在它的一个周期的时间内，对标准时钟信号计数。
实现过程如下：
（1）被测信号相当于一个预设闸门信号，为了提高测量精度，采取扩大闸门时间25倍（即取被测信号25个周期为预设闸门信号）；
（2）用标准时钟同步预设闸门信号产生实际闸门信号；
（3）在实际闸门内对标准时钟计数。
计数结果N o放到cnt_out中，输出计数结果，并同时输出测周完成标志mea_flag，以及测周计数溢出信号full_flag。
3. 添加完相关模块代码后，在左下方的小窗口中双击Generate Programming File，产生一个ut1000_top.bit在线调试下载文件，双击Configure Target Device，弹出Warning，点OK，此时打开了ISE iPACT，在左上方小窗口上双击Boundary Scan，右边窗口将出现一片空白处，点击右键Add Xilinx Device，在对应的E:/work/频率计设计实验/学生实验用未完成程序/PG1000/PG1000_FPGA_ADC目录下找到ut1000_top.bit，选中并打开，将鼠标移至打开的小图标上，点右键Program，如图6所示。
图6 Xilinx 仿真器配置
六. 思考题
1.计算本实验平台频率计模块的中界频率。
因为本实验中测周时选用的频标，即标准频率为010f MHz =。
由中频计算式m s o f f f =可知：
当测周时间数为50ms 时，73
110*14.1450*10m s o f f f kHz -=== 当测周时间数为100ms 时，73110*10100*10
m s o f f f kHz -=== 当测周时间数为1s 时，7110* 3.161
m s o f f f kHz === 当测周时间数为10s 时，7110*110m s o f f f kHz =
==
2.试分析并计算本实验平台频率计能测量的信号频率范围。
测频法适用于高频信号的频率测量，测周法适用于低频信号的频率测量。
当信号频率较高时，我们选用测频法，由直接测频
1*x x s
f N T =
知，其中s f 为被测信号频率，x N 为计数值，s T 为闸门时间。
由上式知，x f 与s T 成反比，本实验平台内，x N 为32位计数器，所以，x f 最大为85.893GHz
同理可知，该平台测周最新为0.037Hz
该实验平台的测试信号的频率范围为0.037~85.893Hz GHz 。