石经院基于FPGA等精度测频原理的频率计
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。
(完整版)基于FPGA的等精度频率计的设计与实现毕业论文
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的等精度频率计的设计
基于FPGA的等精度频率计的设计作者：王宪楠杨晓慧来源：《科技资讯》 2013年第25期王宪楠杨晓慧(长春理工大学电子信息工程学院吉林长春 130022)摘要:本文基于FPGA等精度测频原理设计了一种数字频率计,具有精度高、可靠性高及测频范围宽的特点。
利用Quartus Ⅱ软件,通过VHDL语言,进行了仿真,验证了本设计的正确性。
关键词:等精度频率测量 FPGA中图分类号:TP312 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2013)09(a)-0035-02随着电子信息技术的飞速发展,频率测量是电子测量领域中重要的测量之一。
频率计的主要功能是根据基准时钟信号来进行对被测信号的频率检测。
频率的测量方法主要有直接计数法、周期测频法、混合测频法和等精度侧频法[1]。
其中,前三种测频方法有一个共同点,即测频误差随被测信号频率的变化而发生较大的变化,在实际应用中有局限性。
最后一种测频方法测频误差不随被测信号频率变化,测量精度高。
本文利用FPGA技术实现了等精度频率计的设计,具有精度高、可靠性高及测频范围宽的特点。
1 等精度测量原理等精度测量原理[2]如图1所示,在计数允许的周期内,同时对标准信号和被测信号进行计数,被测信号频率fx的相对误差与被测信号的频率无关,知与预置门宽度和标准频率有关,为了提高测量精度,增大软件闸门时间,或者提高标准频率,可以减小测量相对误差。
2 等精度测频实现2.1 系统设计本设计采用FPGA芯片EP2C8Q208C,硬件结构由两个计数器、分频器、D触发器等组成。
频率计系统方框图如图2所示[3]。
两个计数器分别对标准频率信号和被测信号进行计数,通过D 触发器来控制计数的开始及结束,然后通过运算模块进行频率计数。
2.2 频率计的程序设计控制测试的过程由频率计的内部控制信号start1和en1进行控制,clk为系统的标准时钟,标准时钟由晶振提供,tclk为被测时钟,被测时钟tclk由被测信号提供。
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的等精度数字频率计
基于FPGA的等精度数字频率计作者：王磊宫爱妮陈若舟邢方亮来源：《数码设计》2017年第07期摘要：设计了一种利用等精度测量原理的数字频率计，可以实现对频率、脉宽以及占空比的测量。
该频率计主要由自校、测频、测脉宽等模块组成，系统设计时将各个模块集成到现场可编程门阵列（FPGA）芯片内部，采用超高速集成电路硬件描述语言（VHDL）编程，使系统具有良好的可扩展性。
通过测量可知，待测频率的测量结果都可以保持不变，而且标频计数只有个位误差，和理论保持一致，说明该频率计能完成预定指标要求。
关键词：频率计；等精度；FPGA；VHDL中图分类号：TM935 文献标识码：A 文章编号：1672-9129（2017）07-0081-04Equal Precision Digital Frequency Meter Based on FPGAWANG Lei1*， GONG Aini2， CHEN Ruozhou1， XING Fangliang1（1.The Pearl River Hydraulic Research Institute， Guangdong Guangzhou， 510611，China； 2. Hohai University College of Internet of things Engineering， Jiangsu Changzhou，213022， China）Abstract：A digital frequency meter based on equal precision measurement principle is designed， which can measure the frequency， pulse width and duty cycle. The frequency meter is mainly composed of self calibration， frequency measurement， pulse width measurement module，the system design of each module will be integrated into a field programmable gate array （FPGA）chip，using ultra high speed integrated circuit hardware description language（VHDL）programming，the system has good scalability.The measurement results show that the measured frequency can be kept unchanged，and the standard frequency count is only one bit error，consistent with the theory，indicating that the frequency meter can meet the requirements of predetermined indicators.Keywords：frequency meter； equal precision； FPGA； VHDL引用：王磊，宫爱妮，陈若舟，等. 基于FPGA的等精度数字频率计[J]. 数码设计，2017， 6（7）：81-84.Cite：WANG Lei， GONG Aini ， Equal Precision Digital Frequency Meter Based onFPGA[J]. Peak Data Science， 2017， 6（7）： 81-84.引言现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA），是由PAL、GAL、EPLD 等器件发展而来。
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的等精度数字频率计的设计
基于FPGA的等精度数字频率计的设计陈景波;丁旭;江维勇【期刊名称】《常熟理工学院学报》【年(卷),期】2011(025)008【摘要】根据等精度测量的原理，利用FPGA和Verilog HDL编程设计了一种数字频率计．FPGA程序由分频模块、计数器模块、除法器模块、显示模块组成．经过仿真下载验证，能够实现等精度测频功能，频率测量范围为1Hz-1MHz．与传统方法相比，该方法具有外围电路简单，设计周期短，易于修改等优点．%According to the principle of equal precision measurement, a digital frequency meter is designed based on FPGA. The program is composed of frequency modules, counter modules, divider module, display module, which are written in Verilog HDL. With the certification of hardware emulation system, the circuit can meet the demand of measurement in the reality and frequency ranges from 1Hz to 1MHz. Compared with traditional method, this method has the merit of simple peripheral circuit, short design period and easy amendment.【总页数】5页(P90-93,100)【作者】陈景波;丁旭;江维勇【作者单位】常熟理工学院电气与自动化工程学院,江苏常熟215500;常熟理工学院电气与自动化工程学院,江苏常熟215500;常熟理工学院电气与自动化工程学院,江苏常熟215500【正文语种】中文【中图分类】TP312【相关文献】1.基于FPGA的等精度数字频率计设计 [J], 谭海刚2.基于单片机与FPGA的等精度数字频率计设计 [J], 郭课;刘刚3.基于FPGA与DSP的等精度数字频率计设计 [J], 唐亚平4.基于FPGA与DSP的等精度数字频率计设计 [J], 唐亚平5.基于FPGA的等精度数字频率计设计 [J], 杜娟;王睿;方伟伟因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
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。
基于FPGA的等精度频率计设计
基于FPGA的等精度频率计设计作者：高锐来源：《硅谷》2013年第24期摘要本文使用自上而下的EDA技术设计方法，对频率计的总体设计进行了功能模块和子模块划分。
说明了各功能模块的设计原理，并在顶层设计文件中将各个子模块连接起来，从而完成了频率计的设计。
最后将等精度频率计功能下载到FPGA器件中，并与外围硬件电路一起构建了一个完备的数字频率计。
关键词频率计；FPGA中图分类号：TM935.13 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）24-0017-01复杂可编程逻辑器件器件的被广泛应用，从而使电子产品设计和编程变得更加适应现代社会技术发展、更加快速精确。
FPGA（现场可编程门阵列），这种可编程逻辑器件是在较早期出现的逻辑器件的基础上逐步转变而来的，其是为专用集成电路范围中的一类部分设计电路而出现的，既处理了设计电路的缺点，也战胜了早期器件中的门单元电路数量缺少的毛病。
设计人员能够依照各种各样的配置模式，选择使用不同的编程方式，对于一个相同的目标器件，只要写入不同的逻辑结构与功能，就能够生成各种各样的电子电路，从而使可编程逻辑器件的使用非常灵活，其开发系统同样也是设计大规模集成电路的前沿科技。
频率测量是电子测量领域的最基本测量之一。
因为频率信号的抗干扰性强和易传输的特性，测量通常能够得到较高的精度，因而其频率测频方法的研究在实践中越来越重要。
频率计的设计方法也随着电子设计技术的进步，从而产生了更精准的设计方法与实现器件。
以往的测量频率方法通常使用的是模拟的，既是使用电路频率特性得到其频率测量的方法，还有使用计数脉冲实现测量频率的方法。
1 等精度测量方法工作原理频率是电信号最常用特性，它的测量对于电子电路来说也是最必需和最重要的。
因为频率信号本身的特点决定了其测量结果大都能够取到较高的精度，因而频率信号的测量方法的实现在实践中变得越来越重要。
在实际工程项目里，也需要把相应的物理参数和相关参数都替变为频率才能较好的完成测量工作，从而可以增加其他参数的精度。
基于FPGA的等精度频率计的设计综述
基于FPGA的等精度频率计的设计学生姓名：罗雪晶指导教师：梁西银学生届别：2009届专业：电子信息工程班级：2005级（1）班学号：200572020121摘要本文提出了一种采用VHDL语言在FPGA（EP1C12Q240C8）平台上设计实现等精度频率计的方法。
该方法设计的频率测量系统在对频率变化范围较大的信号进行频率测量时能够满足高速度、高精度的测频要求。
系统的软件设计、编译、调试、仿真以及下载工作采用QuartusⅡ6.1完成。
该等精度频率计的测量频率值采用VGA显示，同时显示10秒内频率的测量情况，具有良好的人机界面。
关键词：FPGA 、VHDL、等精度、频率计、VGAABSTRACTThis paper mainly introduces a method which uses VHDL language in the FPGA (EP1C12Q240C8) platform designed to achieve the frequency accuracy. This method is designed frequency measurement system in the frequency range of the signal frequency measurements to meet the high-speed, high-precision frequency measurement requirements. System software designing, compiling, debugging, simulation, and downloading the work are all completed by the use of Quartus Ⅱ 6.1.The system uses VGA display to show the measured value of the frequency of precision, at the same time it shows the frequency of measurements in 10 seconds.This design has a good man-machine interface. And has realized broad band measurement and can meet the request of high speed and high degree of accuracy. KeywordsFPGA,VHDL, Precision survey,frequency meter,VGA目录引言............................................................ - 3 - 1.原理分析...................................................... - 4 -1.1等精度频率测量原理....................................... - 4 -1.2误差分析................................................. - 5 -2.概述.......................................................... - 6 -2.1 FPGA可编程逻辑器件...................................... - 6 -2.2 VHDL硬件描述语言........................................ - 7 -2.3 Quartus Ⅱ开发环境..................................... - 8 -2.4 E-PLAY-SOPC 系列开发板.................................. - 9 -2.5 EP1C12Q240C8 芯片....................................... - 9 -2.6 IP Core ................................................ - 10 -3.总体设计..................................................... - 10 -3.1流程图设计.............................................. - 10 -3.2系统设计框图............................................ - 11 - 4详细设计..................................................... - 13 -4.1 前端信号处理........................................... - 13 -4.2 分频器的设计........................................... - 13 -4.3 除法器的IP Core 调用................................... - 14 -4.3.1 设计中的除法器应用................................ - 14 -4.3. 2 除法器IP Core的调用方法如下：................... - 14 -4.4 译码电路的实现......................................... - 15 -4.5显示模块的设计实现...................................... - 16 -4.5.1方案选择.......................................... - 16 -4.5.2 VGA接口的原理.................................... - 17 -4.5.3 VGA接口的时序分析................................ - 18 -4.5.4 VGA接口驱动波形仿真.............................. - 19 -4.5.5 VGA接口的驱动程序的设计实现...................... - 20 -4.6系统综合及布局布线...................................... - 22 -4.7引脚分配................................................ - 22 -5.测试......................................................... - 23 -5.1 测试仪器............................................... - 23 -5.2 测试数据............................................... - 24 - 结论........................................................... - 24 - 致谢........................................................... - 25 - 参考文献....................................................... - 26 - 附录1 ......................................................... - 27 -基于FPGA的等精度频率计的设计引言频率是常用的物理量，频率测量是电子测量技术中最基本的测量之一。
基于FPGA的等精度频率计的设计
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。
基于FPGA与单片机的等精度频率计的设计
ｃ ｈ ｉ ｐ ｍ ｉ ｃ ｒ ｏ ｃ ｏ ｍ ｐ ｕ ｔ ｅ ｒ ． Ｔ ｈ ｉ ｓ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｗ ａ ｓ ｍａ ｉ ｎ ￣ｃ ｏ ｍｐ ｏ ｓ ｅ ｄ ｏ ｆ ｈｅ ｔ ｓ ｉ ｇ ｎ ａ ｌ ａ ｍｐ ｌ ｉ ｉ ｆ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｈ ａ ｐ ｉ ｎ ｇ ｃ ｉ ｒ ｃ ｕ ｉ ｔ ， ｓ ｉ ｎ ｌｅ ｇ － ｃ ｈ ｉ ｐ ｍｉ ｃ ｒ ｏ ｃ ｏ ｍ ｐ ｕ ｔ ｅ ｒ
中图分类号 ： Ｔ Ｎ ４ ９ ２ 文献标识码 ： Ａ 文 章 编 号 ：１ ６ ７ ４ — ６ ２ ３ ６ （ ２ ０ １ ３ ） ２ ２ — ０ １ ７ １ — ０ ３
Ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｏ ｆ ｅ ｑ ｕａ ｌ ｐｒ ｅ ｃ ｉ ｓ ｉ ｏ ｎ ｃ ｙ ｍｏ ｍｅ ｔ ｅ ｒ ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ＦＰＧＡ ａ ｎｄ Ｓ ＣＭ
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ａｃ ｃ ｏ ｒ ｄ ｉ ｎ ｇ ｔ ｏ ｔ ｈ ｅ ｐ ｉ ｒ ｎ ｃ ｉ ｐ ｌ ｅ ｏ ｆ ｅ ｑ ｕ ａ ｌ ｐ ｒ ｅ ｃ ｉ ｓ ｉ ｏ ｎ ｍｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ， ａ ｃ ｙ ｍｏ ｍｅ ｔ ｅ ｒ ｗａ ｓ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｅ ｄ ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ Ｆ Ｐ ＧＡ ａ ｎ ｄ ｓ ｉ ｎ ｇ ｌ ｅ －
基于FPGA的等精度频率计设计
基于FPGA的等精度频率计设计摘要频率计是实验室和科研、生产中最常用的测量仪器之一。
本文设计了一种基于FPGA芯片设计的等精度频率计。
对传统的精度测量方法进行了改进，采用SOPC设计技术和基于NIOS II嵌入式软核处理器的系统设计方案，通过在FPGA芯片上配置NIOS II软核处理器进行数据运算处理，利用液晶显示器对测量的频率进行实时显示，可读性好。
整个系统在一片FPGA芯片上实现，系统测量精度高，实时性好，具有灵活的现场可更改性。
本频率测量仪是以Altera公司生产的CycloneII系列EP2C35F672C6器件为核心实现高精度计数功能。
整个电路采用模块化设计，调试制作方便。
经过仿真并下载验证，能够实现等精度测频功能，频率测量范围为1Hz~200MHz。
关键词：等精度，频率计，FPGA，SOPC，NiosIIDesign of Equal Precision Frequency MeterBased on FPGAABSTRACTFrequency meter is one of the most commonly used measuring instruments which can be used in laboratory, scientific research and production . An equal precision frequency meter designed based on FPGA is introduced in this article, which used Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language to implement function module in frequency meter base on traditional frequency measurement. SOPC designing technique and system designing plan based on Nios II soft core CPU are used in the design. It also adopts Nios II soft core CPU as data processing unit, uses LCD 1602 equipment to display frequency in real-time. The whole system is in the implementation of a FPGA chip. So it has a high-precision measurement, real-time and flexible change of scene.The frequency meter is based on CycloneII EP2C35F672C6 Altera device as the core to achieve high-precision counting. Because of the modular design of this circuit, it is facilitate to debug. After the simulation, and downloads the confirmation, can realize equal-precision frequency measurement function. The range of frequency measurement is from 1Hz to 200MHz.KEY WORDS：equal precision measurement, frequency meter, FPGA, SOPC, NiosII目录摘要 (I)ABSTRACT (II)1 绪论 (1)1.1 课题提出的背景 (1)1.2 课题选择意义 (1)2 EDA/SOPC技术简介 (3)2.1 EDA的具体开发流程 (3)2.1.1设计输入 (3)2.1.2综合 (3)2.1.3 适配 (4)2.1.4 仿真 (4)2.1.5 编程下载和硬件测试 (4)2.2 NIOS II IDE简介 (4)2.2.1工程管理器 (5)2.2.2 编辑器和编译器 (6)2.2.3调试器 (6)2.2.4闪存编程器 (7)3 系统方案选择 (8)3.1 频率测量方案选择 (8)3.1.1 直接测频法 (8)3.1.2 间接测频法 (8)3.1.3 等精度测频 (9)3.2 基于单片机的测频方案 (10)3.3 基于FPGA的测频方案 (11)4等精度频率计的单元模块设计 (13)4.1 放大整形模块设计 (13)4.2 标准信号产生模块设计 (14)4.3 FPGA芯片模块设计 (15)4.3.1 D型触发器的设计 (15)4.3.2 计数器的设计 (17)4.3.3 锁存器的设计 (20)4.3.4 NIOS II 软核CPU的配置 (22)IV4.4 LCD液晶显示模块 (25)5 系统综合与测试 (26)5.1等精度计数模块 (26)5.2 系统综合 (27)5.3 软件编写与测试 (28)5.4 系统的扩展 (32)5.4.1 分频器设计 (32)5.4.2 选择器设计 (35)5.5 系统测试 (37)6 总结 (40)致谢 (41)参考文献 (42)基于FPGA的等精度频率计设计 11 绪论1.1 课题提出的背景现代数字系统的设计离不开仪器，比如数字示波器、逻辑分析仪、频谱分析仪、信号发生器、数字频率计等。
基于FPGA的等精度频率计
光电与通信工程学院课程设计报告书课设名称：等精度频率计年级专业及班级：姓名：学号：一、课程设计目的1、进一步熟悉 Quartus Ⅱ的软件使用方法，熟悉 keil 软件使用；2、熟悉单片机与可编程逻辑器件的开发流程及硬件测试方法；3、掌握等精度频率计设计的基本原理。
4、掌握独立系统设计及调试方法，提高系统设计能力。
实验设备EDA最小系统板一块（康芯）、PC机一台、示波器一台、信号发生器一台、万用表一个。
二、设计任务利用单片机与FPGA设计一款等精度频率计，待测脉冲的检测及计数部分由FPGA实现，FPGA的计数结果送由单片机进行计算，并将最终频率结果显示在数码管上。
要求该频率计具有较高的测量精度，且在整个频率区域能保持恒定的测试精度，具体指标如下：a）具有频率测试功能：测频范围 100Hz~5MHz。
测频精度：相对误差恒为基准频率的万分之一。
b）具有脉宽测试功能：测试范围 10μs~1s，测试精度：0.1μs。
c）具有占空比测试功能：测试精度1%~99%。
d）具有相位测试功能。
（注：任务a 为基本要求，任务 b、c、d 为提高要求）三、基本原理基于传统测频原理的频率计的测量精度将随被测信号频率的下降而降低，在实用中有较大的局限性，而等精度频率计不但具有较高的测量精度，而且在整个频率区域能保持恒定的测试精度。
3.1 等精度测频原理等精度频率计主控结构如图 1 所示预置门控信号 CL 选择为 0.1~1s 之间（通过测试实验得出结论：CL 在这个范围内选择时间宽度对测频精度几乎没有影响）。
BZH 和 TF 分别是 2 个高速计数器，BZH 对标准频率信号（频率为 Fs）进行计数，设计数结果为 Ns；TF 对被测信号（频率为Fx）进行计数，计数结果为 Nx，则有MUX64-8 模块并不是必须的，可根据实际设计进行取舍。
分析测频计测控时序，着重分析 START的作用，完成等精度频率计设计。
3.2 FPGA 模块FPGA模块所要完成的功能如图 1 所示，由于单片机的速度慢，不能直接测量高频信号，所以使用高速 FPGA 为测频核心。
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石家庄经济学院通信实习报告院系：信息工程学院学号：姓名：日期：2013.1.15一、实习目的1、通过本次专业课程设计巩固并扩展通信课程的基本概念、基本理论、分析方法和仿真实现方法。
2、结合所学的EDA应用和仿真技术，完成通信专业相关课程内容的建模和设计仿真。
到达通信专业相关理论课程有效的巩固和整合，实现将理论知识和软件设计紧密结合。
3、通过本次专业课程设计达到培养学生的创新能力、通信系统建模和仿真设计能力以及软件调试和分析能力的目的。
二、实习要求1、应用通信类软件完成通信系统相关内容的设计和建模，并仿真出正确结果，对仿真波形加以重点分析和说明。
2、按要求格式书写报告，原理充分、设计方法及仿真结果分析正确、条理清晰、重点突出。
三、实习内容1、实习题目基于FPGA等精度测频原理的频率计2、设计原理(1)直接测频方法常用的直接测频方法主要有测频法和测周期法两种：测频法就是在确定的闸门时间Tw内。
记录被测信号的变化周期数(或脉冲个数)Nx，则被测信号的频率为：Fx=Nx/Tw。
测周期法需要有标准信号的频率fs，在待测信号的一个周期Tx内，记录标准频率的周期数Ns，则被测信号的频率为：fx=fs/Ns。
这两种方法的计数值会产生±1个字误差，并且测试精度与计数器中记录的数值Nx或Ns有关。
为了保证测试精度，一般对于低频信号采用测周期法；对于高频信号采用测频法，因此测试时很不方便。
(2)等精度测频方法图1 等精度测频原理波形图等精度测频方法是在直接测频方法的基础上发展起来的。
它的闸门时间不是固定的值，而是被测信号周期的整数倍，即与被测信号同步，因此，消除了对被测信号计数所产生±1Hz误差，并且达到了在整个测试频段的等精度测量。
测频原理如图1所示。
在测量过程中，有两个计数器分别对标准信号和被测信号同时计数。
首先给出闸门开启信号(预置闸门上升沿)。
此时计数器并不开始计数，而是等到被测信号的上升沿到来时，计数器才真正开始计数。
然后预置闸门关闭信号(下降沿)到时，计数器并不立即停止计数，而是等到被测信号的上升沿到来时才结束计数，完成一次测量过程。
可以看出，实际闸门时间T与预置闸门时间下，并不严格相等，但差值不超过被测信号的一个周期。
设在一次实际闸门时间下中计数器对被测信号的计数值为Nx，对标准信号的计数值为Ns。
标准信号的频率为fs，则被测信号的频率为：Fx=(Nx/Ns)fs。
(1)若忽略标频fs的误差，则等精度测频可能产生的相对误差为：δ=(|fxc-fx|/fxe）×100％。
(2)其中&e为被测信号频率的准确值。
在测量中，由于fx计数的起停时间都是由该信号的上升沿触发的，在闸门时间T 内对fx的计数Nx无误差(T=NxTx)；对fs的计数Ns最多相差一个数的误差，即|△Ns|≤l，其测量频率为：fxe=[Nx/(Ns+△Ns)]/fs (3)将式(1)和(3)代入式(2)，并整理得：δ=|△Ns|/Ns≤l/Ns=1/(T·fs) 由上式可以看出。
测量频率的相对误差与被测信号频率的大小无关，仅与闸门时间和标准信号频率有关。
即实现了整个测试频段的等精度测量。
闸门时间越长，标准频率越高，测频的相对误差就越小。
标准频率可由稳定度好、精度高的高频率晶体振荡器产生，在保证测量精度不变的前提下，提高标准信号频率，可使闸门时间缩短，即提高测试速度。
表1所列为：标频在10KHz和100MHz时闸门时间与最大允许误差的对应关系。
表1 闸门时间与精度的关系等精度测频的实现方法可简化为图2所示的框图。
CNT1和CNT2是两个可控计数器。
标准频率(fs)信号从CNTl的时钟输入端CLK输入；经整形后的被测信号(&)从CN他的时钟输入端CLK输入。
每个计数器中的CEN输入端为时钟使能端控制时钟输入。
当预置门信号为高电平(预置时间开始)时．被测信号的上升沿通过D触发器的输出端，同时启动两个计数器计数；同样，当预置门信号为低电平(预置时间结束)时，被测信号的上升沿通过D触发器的输出端。
同时关闭计数器的计数。
图2 等精度测频实现方法原理(3)系统组成系统由分频器、计数器l、计数器2、D触发器等组成。
分频器出来的信号作为等精度测频原理的预置闸门信号。
其中D触发器，计数器2和计数器1的作用与图2中所示相同。
运算模块就是完成公式(1)的运算。
复位主要对分频、计数器1和计数器2进行清零操作。
系统组成方框图如图3所示。
图3 采用等精度测频原理的频率计系统组成方框图3、程序与仿真以下所列为一种4位显示等精度频率计的程序，其中系统的FPGA电路符号如图4所示。
图4 系统FPGA电路符号图VHDL程序如下：library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;use ieee.std_logic_arith.all;entity PLJ isport(clk:in std_logic;--基准时钟(10KHz)tclk:in std_logic; --被测信号start:in std_logic; --复位信号alarm0,alarm1:out std_logic; --超量程，欠量程显示dian:out std_logic_vector(3 downto 0); --小数点data1:out integer range 0 to 9999 ); --频率数据end PLJ;architecture behav of PLJ issignal q:integer range 0 to 9999; --预置闸门分频系数signal q1:integer range 0 to 10000; --被测信号计数器signal q2:integer range 0 to 20000; --基准信号计数器signal en,en1:std_logic; --预置闸门，实际闸门signal qq,qqq:integer range 0 to 200000000; --运算器signal data0:integer range 0 to 9999; --频率数据中间信号beginprocess(clk) --此进程得到一个预置闸门信号beginif clk'event and clk='1' thenif start='1' then q<=0;en<='0';else q<=q+1;en<='1';end if;end if;end process;process(tclk) --此进程计被测信号脉冲数，和得到一个实际闸门信号beginif tclk'event and tclk='1' thenif start='1' then q1<=0;en1<='0';elsif en='1' then q1<=q1+1;en1<='1';else en1<='0';end if;end if;end process;process(clk) --此进程完成在实际闸门时间内，计基准脉冲数beginif clk'event and clk='1' thenif start='1' then q2<=0;elsif en1='1' thenif q2=20000 then q2<=20000;else q2<=q2+1;end if;end if;end if;end process;process(clk) --此进程完成等精度频率计的运算beginif clk'event and clk='1'thenif start='1' then data0<=0;dian<="0000";alarm0<='0';alarm1<='0';qqq<=0;qq<=00;elsif en1='0' thenif q1>=1000 then qq<=q1*10000; --根据q1的大小来判断小数点的位置if qqq<qq then qqq<=qqq+q2;data0<=data0+1;dian<="0000"; --完成数据运算elsif data0>=10000 then alarm0<='1'; --超量程显示else data1<=data0;end if;elsif q1>=100 then qq<=q1*100000;if qqq<qq then qqq<=qqq+q2;data0<=data0+1;elsif data0>=10000 then data1<=1000;dian<="0000";else data1<=data0;dian<="0010";end if;elsif q1>=10 then qq<=q1*1000000;if qqq<qq then qqq<=qqq+q2;data0<=data0+1;elsif data0>=10000 then data1<=1000;dian<="0010";else data1<=data0;dian<="0100";end if;elsif q1>=1 then qq<=q1*10000000;if qqq<qq then qqq<=qqq+q2;data0<=data0+1;elsif data0>=10000 then data1<=1000;dian<="0100";else data1<=data0;dian<="1000";end if;end if;elsif q2>19999 then alarm1<='1'; --欠量程显示else alarm1<='0';end if;end if;end process;end behav;仿真结果如下：标准时钟为10khz，即周期为100us。