等精度数字频率计
FPGA等精度频率计
成绩__________ 基于FPGA的等精度频率计设计摘要:数字频率计是一种能够测量被测信号频率的数字测量仪器。
它被广泛应用于航天、航空、电子、自动化测量、测控等领域。
本文利用等精度测量原理，设计等精度频率计，主要硬件电路由Altera公司生产的复杂可编程逻辑（CPLD）EPM7128构成。
复杂可编程逻辑器件CPLD芯片EPM7128SLC84-15完成各种时序逻辑控制、计数功能。
在MAX+PLUSII平台上，用VHDL语言编程完成了CPLD的软件设计、编译、调试、仿真和下载。
由于本系统采用了先进的EDA 技术，不但大大缩短了开发研制周期，而且使本系统具有结构紧凑、体积小，可靠性高，测频范围宽、精度高等优点。
关键词：等精度频率计；可编程逻辑器件；VHDLAbstract：Digital frequency meter is a digital measuring equipment which is capable of measuring the frequency of the measured signal. It has been widely used in aerospace, aviation, electronics, automation, measurement and control, and other fields. This paper introduces a method to design precision frequency meter based on equal precision measuring principle. The main circuit is composed of complex programmable logic (CPLD) EPM7128 which is a production of Altera company and AT89C51. The complex programmable logic device EPM7128SLC84-15 completes sequential logic control, and the counting function. In MAX + PLUSII platform, using VHDL completes the CPLD programming software design, compile, debugging, simulation and download. The system makes use of advanced EDA technology, not only greatly shortens the development cycle, but also makes that the system has so compact, small size, high reliability, wide frequency measurement range and high-precision.Keywords：Equal precision frequency meters；CPLD；VHDL前言随着科学技术的发展，高精度集成电路的应用，生产力得到了大幅度的发展，以大规模集成电路为主的各种设备成了当今社会最常用的设备。
等精度数字频率计的设计
等精度数字频率计的设计（Design of equal precision digital frequency meter）作者：李欢（电子工程学院光信息科学与技术 1103班）指导教师：惠战强摘要：伴随着集成电路(IC)技术的发展，电子设计自动化(EDA)逐渐成为重要的设计手段，已经广泛应用于模拟与数字电路系统等许多领域。
电子设计自动化是一种实现电系统或电子产品自动化设计的技术，它与电子技术、微电子技术的发展密切相关，它吸收了计算机科学领域的大多数最新研究成果，以高性能的计算机作为工作平台，促进了工程发展。
数字频率计是一种基本的测量仪器。
它被广泛应用于航天、电子、测控等领域。
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的特点。
本文首先综述了EDA技术的发展概况，FPGA/CPLD开发的涵义、优缺点，VHDL语言的历史及其优点，然后介绍了频率测量的一般原理。
关键字：电子设计自动化；VHDL语言；频率测量；数字频率计AbstractThe Electronic Design Automation (EDA) technology has become an important design method of analog and digital circuit system as the integrated circuit's growing. The EDA technology, which is closely connected with the electronic technology, microelectronics technology and computer science, can be used in designing electronic product automatically.Digital frequency meter is a basic measuring instruments. It is widely used in aerospace, electronics, monitoring and other fields. With equal precision frequency measurement accuracy to maintain a constant, and not with the measured signal varies.We firstly present some background information of EDA, FPGA/CPLD and VHDL;then introduced the general principle of frequency measurement. Keywords: Electronic Design Automation,VHDL, Frequency measurement,digital frequency meter.目录摘要................................................... 错误！未定义书签。
等精度频率计
end shuchu;
architecture a of shuchu is
begin
process (data1,data2,data3,data4,data5,data6,data7,data8,data9,data10)
signal c: std_logic;
begin
process (clk,nr)
begin
if nr = '1' then
f<=0;c<='0';
elsif (clk'event and clk = '1')then
if f<9999 then
f<=f+1;
else
f<=0;
c<= not c;
end if;
关键字：
频率、周期、标准时钟、乘除运算、分频、十进制显示、锁存
方案比较：
（1）用单片机实现：
等精度数字频率计涉及到的计算包括加，减，乘，除，耗用的资源比较大，用一般中小规模CPLD/FPGA芯片难以实现。因此，我们选择单片机和CPLD/FPGA的结合来实现。电路系统原理框图如图所示，其中单片机完成整个测量电路的测试控制，数据处理和显示输出；CPLD/FPGA完成各种测试功能；键盘信号由AT89C51单片机进行处理，它从CPLD/FPGA读回计数数据并进行运算，向显示电路输出测量结果；显示器电路采用七段LED动态显示，由8个芯片74LS164分别驱动数码管。
为了节省资源改进了除法器进制转化模块，说明如下：
被除数
序号
10进制
毕业设计 基于fpga的等精度数字频率计的设计
本科生毕业论文题目：基于fpga的等精度数字频率计的设计摘要在电子工程，资源勘探，仪器仪表等相关应用中，频率计是工程技术人员必不可少的测量工具。
频率测量也是电子测量技术中最基本最常见的测量之一。
不少物理量的测量，如转速、振动频率等的测量都涉及到或可以转化为频率的测量。
基于传统测频原理的频率计的测量精度会随被测信号频率的下降而降低。
本文介绍了一种基于FPGA的等精度数字频率计，它不但具有较高的测量精度，而且在整个测量区域能保持恒定的测量精度。
文章首先介绍了硬件描述语言（HDL）的发展，以VHDL为核心，说明了利用VHDL语言进行设计的步骤。
然后介绍FPGA器件的基本结构和开发流程，接着阐述等精度数字频率计的工作原理以及利用VHDL语言实现数字频率计的具体做法，重点是利用BCD码减法实现的BCD码除法器的设计，最后还利用modelsim软件对其进行了仿真，具体分析验证了此设计的正确性。
关键词：FPGA VHDL 等精度BCD码除法AbstractCymometer is a necessary measure tool for technical engineers in electronic engineering , resource exploration and apparatus using . frequency mesure is one of the most essential and the most common mesure of electronic mesure technology . many physical quantities’ mesure , such as rotate speed , vibration frequency’s mesure , is related with or can be transformed into frequency mesure.The precision of cymometer based on traditional frequency-testing theory will decrese when the measured frequency becomes lower. this article introduces a cymometer of same-precision based on FPGA. The cymometer not only has high precision, but also its precision doesn’t decrese when the measured frequency becomes lower.This article first introduces the development of HDL , focusing on VHDL , present the step of design of VHDL . then it introduces the basic structure and the develop flow of FPGA device . in the end , it introduces the theory of cymometer and the specific implement of cymometer based on VHDL , emphasizing the theory of implementing BCD division. the function simulation and logic synthesis also come out, showing the correction of the design .Keywords: FPGA VHDL same-precision BCD division目录第一章前言............................................................................................................... 错误!未定义书签。
等精度频率计
第13章 等精度数字频率计的设计与分析
数 码 显 示 LED×8
P0
8
P3.0～ P3.1
P2
8
AT89C51
单片机
RET
显 示 驱 动 74LS164×8
待测信号
信号放大与
TCLK
整形电路
CPLD/FPGA BCLK 50 MHz晶 振
复位
P1.0～ P1.3
占空比
脉宽
周期
频率
电源
图13.3 等精度数字频率计电路系统原理框图
(13.4)
第13章 等精度数字频率计的设计与分析
可分别推得
fx
fs
Nx Ns
fxe
fs Ns
Nx Δet
根据相对误差的公式有
fxe fxe fx
fxe
fxe
(13.5) (13.6) (13.7)
第13章 等精度数字频率计的设计与分析
经整理可得到
f xe et f xe N s
因Δet≤1，故Δet/Ns≤1/Ns，即
1．测频/测周期的实现 (1) 令TF=0，选择等精度测频，然后在CONTRL的 CLR端加一正脉冲信号以完成测试电路状态的初始化。 (2) 由预置门控信号将CONTRL的START端置高电 平，预置门开始定时，此时由被测信号的上沿打开计 数器CNT1进行计数，同时使标准频率信号进入计数器 CNT2。
f xe
1
f xe ≤ N s
Ns=Tprfs
(13.8) (13.9)
第13章 等精度数字频率计的设计与分析
2．周期测量模块
(1) 直接周期测量法：用被测信号经放大整形后形成 的方波信号直接控制计数门控电路，使主门开放时间 等于信号周期Tx，时标为Ts的脉冲在主门开放时间进入 计数器。设在Tx期间计数值为N，可以根据以下公式来 算得被测信号周期：
FPGA_ASIC-基于FPGA与DSP的等精度数字频率计设计(精)
基于FPGA 与DSP 的等精度数字频率计设计（湖南铁道职业技术学院）唐亚平摘要：本设计根据等精度的多周期同步测频原理，采用Altera 公司的FLEX10K10系列FPGA 和TI 的TMS320VC5402进行硬件电路的设计。
各项实测表明，多周期同步测频法是正确、合理和可靠的。
关键词：多周期同步测频法；FPGA ；数字信号处理器中图分类号： TN713 文件标识码： BThe Design of Equal Precision Digital Cymometer based on FPGA and DSP（Hunan Railway Professional Technology Collage）TANG Ya-pingAbstract: This paper introduces a method of measuring frequency by multi-period synchronous theory. And based on it , the FPGA and Digital Signal Processor implement the cymomenter . All the test proved that the multi-period synchronous measuring method is correct and stable.Keywords: multi-period synchronous measuring method；FPGA ；DSP频率检测是电子测量领域的最基本也是最重要的测量之一，频率信号抗干扰强，易于传输，可以获得较高的测量精度, 所以测频率方法的研究越来越受到重视。
本设计是以FPGA 为核心的等精度率数字频率计，采用TI 公司的TMS320VC5402 DSP 芯片和Altera 公司的FLEX10K10系列FPGA，采用多周期同步测频原理，实现了高精度的恒误差频率测量，在使用过程中无需量程切换。
等精度数字频率计设计
[键入文字] [键入文字]目录第一章设计项目的分析:1.1 设计原理1.2 设计要求1.3 设计思路第二章项目工作原理及模块工作原理2.1 项目工作原理2.2 频率测量模块的工作原理2.3 周期测量模块的工作原理2.3.1 直接周期测量法2.3.2 等精度周期测量法2.4 脉宽测量模块的工作原理2.5 占空比测量模块的工作原理第三章系统设计方案3.1 等精度数字频率计项目设计方案3.1.1等精度数字频率计的原理图3.1.2系统的主要组成部分3.1.3系统的基本工作方式3.1.4 CPLD/FPGA测频专用模块的VHDL程序设计3.2 测频/测周期的实现3.3 控制部件设计3.4 计数部件设计3.5 测量脉冲宽度的工作步骤第四章主要VHDL源程序4.1 频率计测试模块4.2 计数模块4.3 测频、周期控制模块4.4 测脉宽、占空比控制模块4.5 自校/测试频率选择模块4.6 计数器二频率切换模块第五章项目硬件测试及仿真结果5.1 硬件试验情况5.2 仿真结果第六章设计总结附录一参考文献第一章设计项目的分析1.1 设计原理频率计用一个频率稳定度高的频率源作为基准时钟，对比测量其他信号的频率。
通常情况下计算每秒内待测信号的脉冲个数，此时我们称闸门时间为1s。
闸门时间也可以大于或小于1s。
闸门时间越长，得到的频率值就越准确，但闸门时间越长则每测一次频率的间隔就越长。
闸门时间越短，测得频率值刷新就越快，但测得的频率精度就受影响。
1.2 设计要求(1) 对于频率测试功能，测频范围为0.1 Hz～70 MHz；对于测频精度，测频全域相对误差恒为百万分之一。
(2) 对于周期测试功能，信号测试范围与精度要求与测频功能相同。
(3) 对于脉宽测试功能，测试范围为0.1 μs～1 s，测试精度为0.01 μs。
(4) 对于占空比测试功能，测试精度为1%～99%。
1.3 设计思路利用计数器A对时钟脉冲信号进行计数，同时使用另一个计数器B对被测信号计数。
等精度数字频率计
等精度数字频率计测量方式：一、测频原理所谓“频率”，确实是周期性信号在单位时刻转变的次数。
电子计数器是严格依照f ＝N/T的概念进行测频，其对应的测频原理方框图和工作时刻波形如图1 所示。
从图中能够看出测量进程：输入待测信号通过脉冲形成电路形成计数的窄脉冲，时基信号发生器产生计数闸门信号，待测信号通过闸门进入计数器计数，即可取得其频率。
假设闸门开启时刻为T、待测信号频率为fx，在闸门时刻Ｔ内计数器计数值为N，那么待测频率为：fx = N/T假设假设闸门时刻为1s，计数器的值为1000，那么待测信号频率应为1000Hz 或1.000kHz，现在，测频分辨力为1Hz。
图1 测频原理框图和时刻波形二、方案设计2.1整体方案设计等频率计测频范围1Hz~100MHz，测频全域相对误差恒为百万分之一，故由此系统设计提供100MHz作为标准信号输入，被测信号从tclk端输入，由闸门操纵模块进行自动调剂测试频率的大小所需要的闸门时刻，如此能够精准的测试到被测的频率，可不能因闸门开启的时刻快慢与被测频率信号转变快慢而阻碍被测频率信号致使误差过大，被测信号输入闸门操纵模块后，在闸门操纵模块开始工作时使encnt端口输出有效电平，encnt有效电平作用下使能标准计数模块（cnt模块）和被测计数模块（cnt模块），计数模块开始计数，直到encnt 从头回到无效电平，计数模块就将所计的数据送到下一级寄放模块，在总操纵模块的作用下，将数据进行load（锁存），然后寄放器里的数据会自动将数据送到下一模块进行数据处置，最后送到数码管或液晶显示屏（1602）进行被测信号的数据显示。
PIN_84VCCreset INPUTPIN_31VCCtclk INPUTcnt_time 100Signed IntegerParameter Value Typeclken_1kHztclkclrloadencntcnt_eninst4cnt_w idth32Signed IntegerParameter Value Typeclkclrencntout[cnt_width-1..0]cntinst1cnt_w idth32Signed IntegerParameter Value Typeclkclrencntout[cnt_width-1..0]cntinst2cnt_w idth32Signed IntegerParameter Value Typeclken_1kHzclrlock_endata[cnt_width-1..0]regout[cnt_width-1..0]bcnt_reginst3cnt_w idth32Signed IntegerParameter Value Typeclken_1kHzclrlock_endata[cnt_width-1..0]regout[cnt_width-1..0]tcnt_reginst5clken_1kHzresetenencntclr_cntlockclr_regload_encntcontrolinst6clken_1kHzresetclearreset_cntinst16被测频率信号输入闸门信号控制器100M标准频率信号计数器被测频率信号计数器100M标准频率数据寄存被测信号频率数据寄存复位模块闸门、计数、寄存的总控制模块clk_100MHztclk1loadclk_100MHzen_1kHzclk_100MHzen_1kHzen_1kHzclk_100MHzloaden_1kHzclk_100MHzclk_100MHzen_1kHzset_f ashion[4]tclk1reset1cnt_numb[31..0]cnt_numt[31..0]两路数据送到下一级进行数据处理2.2理论分析采纳等精度测量法，其测量原理时序如图1所示从图1中能够取得闸门时刻不是固定的值，而是被测信号的整周期的倍数，即与被测信号同步，因此，不存在对被测信号计数的±1 误差，可取得：变形后可得：对上式进行微分，可得：由于 dn=± 1 ,因此可推出：从式（5）能够看出：测量误差与被测信号频率无关，从而实现了被测频带的等精度测量；增大T或提高fs能够提高测量精度；标准频率误差为dfs/fs,因为晶体的稳固度很高，再加上FPGA核心芯片里集成有PLL锁相环可对频率进一步的稳固，标准频率的误差能够进行校准，校准后的标准误差即能够忽略。
基于FPGA的等精度数字频率计的研究与实现
科技广场2009.50引言常用的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T W 内，记录被测信号的变化周期数(或脉冲个数)N X ，则被测信号的频率f x =N X /T W 。
测周期法需要有标准频率信号f s ，在待测信号的一个周期内，记录标准频率的周期数N s ，则被测信号的频率为f x =f s /N s 。
这两种方法的计数值会产生个字误差，并且测量精度与计数器中记录的数值有关。
为了保证测量精度，一般对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。
针对以上问题，本文提了一种基于等精度测频原理的频率计，给出了一种基于FPGA 的设计方案。
1等精度测量方法等精度测量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，而是被测信号的整数倍，即与被测信号同步。
因些，排除了对被测信号计数所产生的个字误差，并且达到了在整个测量频段的等精度测量，其测频原理如图一所示。
在测量过程中，有两个计数器分别对标准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t 1并不严格相等，但差值不会超过被测信号的一个周期。
设在一次实际闸门时间t 中计数器对被测信号的计数值为N X ，对标准信号的计数值为N S ，标准信基于FPGA的等精度数字频率计的研究与实现Design and Realization of Equal-precisions Digital Frequency Meter Based on FPGA曾任贤Zeng Renxian(南昌工程学院电气与电子工程系,江西南昌330099)(Department of Electrical and Electronics Engineering ，Nanchang Institute of Technology,Jiangxi Nanchang 330099)摘要：本文提出了一种基于等精度测频原理的频率计，给出了一种基于FPGA 的设计方案。
用51单片机完成等精度频率测量仪的设计毕业论文
(4）编写软件；
(5）系统调试，仿真。
2等精度频率计的原理与应用
2.1 等精度频率计的原理
频率计的核心为单片机对数据的运算处理，而此等精度测量方法是以同步门逻辑控制电路为核心的。同步门逻辑控制电路由D触发器构成。
基本频率测量要求：
幅度：0.5V～5V
频率：1Hz～500kHz
用51单片机完成等精度频率测量仪的设计毕业论文
1 绪 论
1.1 数字频率计简介
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。它是一种用十进制数字，显示被测信号频率的数字测量仪器。它的基本功能是测量正弦信号，方波信号以及其他各种单位时间变化的物理量。在进行模拟、数字电路的设计、安装、调试过程中，由于其使用十进制数显示，测量迅速，精度高，显示直观，所以经常要用到数字频率计。
国际国通用数字频率计的主要技术参数：1．频率测量围：电子计数器的测频围，低端大部分从10Hz开始；高端则以不同型号的频率计而异。因此高端频率是确定低、中、高速计数器的依据。如果装配相应型号的变频器，各种类型的数字频率计的测量上限频率，可扩展十倍甚至几十倍。2．周期测量围：数字频率计最大的测量周期，一般为10s，可测周期的最小时间，依不同类型的频率计而定。对于低速通用计数器最小时间为1ys；对中速通用计数器可小到0.1ys。3．晶体振荡器的频率稳定度：是决定频率计测量误差的一个重要指标。可用频率准确度、日波动、时基稳定度、秒级频率稳定度等指标，来描述晶体振荡器的性能。4．输入灵敏度：输入灵敏度是指在侧频围能保证正常工作的最小输入电压。目前通用计数器一般都设计二个输入通道，即d通道和月通道。对于4通道来说，灵敏度大多为50mV。灵敏度高的数字频率计可达30mV、20mV。5.输入阻抗：输入阻抗由输入电阻和输入电容两部分组成。输入阻抗可分为高阻(1M／／25PF、500k／／30PF)和低阻(50)。一般说来，低速通用计数器应设计成高阻输入；中速通用计数器，测频围最高端低于100MHz，仍设计为高阻输入；对于高速通用计数器，测频＞100MHz， 设计成低阻 (50Q) 输入，测频＜100MHz，设计成高阻(500k／／30PF)输入。
等精度数字频率计设计
毕业设计（论文）题目：等精度数字频率计的设计Title: Equal Precision Frequency Meter Plan姓名：梁森专业：电子信息工程学号： 07061234指导教师：陈坚二零一一年六月摘要频率检测是电子测量领域的最基本也是最重要的测量之一。
频率信号抗干扰能力强、易于传输，可以获得较高的测量精度，所以测频率方法的研究越来越受到重视。
本课题的等精度数字频率计设计，采用当今电子设计领域流行的EDA技术，以CPLD为核心，配合AT89C51单片机，采用多周期同步测频原理，实现了0.1Hz-50MHz信号频率的等精度频率测量，此外，该系统还可以测方波信号宽度及高、低电平的占空比。
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CPLD 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。
设计中用一块复杂可编程逻辑器件CPLD(Complex Programmable Logic Device)芯片EPM7128SLC84-15完成各种时序逻辑控制、计数功能。
在Quartus II平台上，用VHDL语言编程完成了CPLD的软件设计、编译、调试、仿真和下载。
用AT89C51单片机作为系统的主控部件，实现整个电路的测试信号控制、数据运算处理、键盘扫描和控制数码管的显示输出。
系统将单片机AT89C51的控制灵活性及CPLD芯片的现场可编程性相结合，不但大大缩短了开发研制周期，而且使本系统具有结构紧凑、体积小，可靠性高，测频范围宽、精度高等优点。
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AT89C51单片机的等精度数显频率计
50第24卷 第2期 零陵学院学报 V ol. 24 No.2 2003年3月 Journal of Lingling University Mar. 2003基于ＡＴ８９Ｃ51单片机的等精度数显频率计 李春树 （湖南 零陵学院电子工程系，湖南 永州 ４２５００６） 摘 要：介绍了一种基于ＡＴ８９Ｃ５１单片机进行等精度数字测频的软、硬件实现方案。
该方法简单实用，具有较广的使用价值。
关键词：单片机；频率计；测频*中图分类号：Ｑ４－３９ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１６７１－９６９７（２００３）０２－００５０－０５ 引言：数显频率计是直接用十进制数字显示被测信号频率的一种测量装置。
传统的数显频率计大多采用７４ＬＳ系列数字集成电路直接测频，在使用过程中存在电路结构复杂，测量精度低、故障率高、维护不易等问题。
随着单片机技术的不断发展，用单片机通过软件设计，采用适当的算法取代这部分电路不仅能弥补上述不足，而且性能也将大有提高。
1 传统的测频电路结构及测频精度分析 传统的数显频率计采用直接方式测频。
即利用计数器在闸门开启期间对输入信号的周期进行计数来完成测频的。
若设计数值为x N ，则输入信号的频率可表示为： wx x T Nf =式中Ｔｗ为闸门开启的时间宽度，一般由晶体振荡器产生标准频率0f 经过ｎ级１０分频后得到，即010fT nw =，由此得：010f N f x n x −=…………（１） 由于Ｔｗ是固定的，但对于任意的x f 电路无法保证在Ｔｗ时间内刚好有N ｘ个x T ，因此最大可能会产生±１个Ｔｘ的误差。
通过对（１）求导得： )(1000df N dN f df x x n x +=−………………… （２） （２）÷（１）得：00f df N dN f df x x x x += 其中00f df 为晶振的频率稳定度，通常可达１０－６￣１０－８数量级，xN x dN为计数值的相对误差。
等精度频率计的设计
等精度频率计的设计一、实验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，即测量精度随被测信号的频率的变化而变化，在实用中有较大局限性，而等精度频率计不但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。
设计项目可达到的指标如下：频率测试功能：测频范围0.1Hz~100Hz。
测频精度：测频全域相对误差恒为百万分之一。
脉宽测试功能：测试范围：0.1us~1s，测试精度1%~99%。
占空比测试功能：测试（显示）精度1%~99%。
相位测试功能：测试范围0~360度，测试精度0.2度。
主系统组成等精度频率计的主系统由六个部分组成：信号整形电路。
用于对待测信号进行放大和整形，以便作为PLD器件的输入信号。
测频电路。
是测频的核心模块，可以由FPGA器件担任。
100MHz的标准频率信号源（可通过PLL倍频所得）进入FPGA.。
单片机电路模块。
用于控制FPGA的测频操作和读取测频数据，并作出相应数据处理。
安排单片机的P0口读取测试数据，P2口向FPGA发控制命令。
键盘模块。
可以用5个键执行测试控制，一个是复位键，其余是命令键。
数码显示模块。
可以用7个数码管显示测试结果，最高可表示百万分之一的精度。
考虑到提高单片机IO口的利用率，降低编程复杂性，提高单片机的计算速度以及降低数码显示器对主系统的干扰，可以采用串行静态显示或液晶显示方式。
主系统组成测频原理等精度测频原理为：“预置门控信号”CL由单片机发出，可以证明，在1秒至0.1秒间的选择范围内，CL的时间宽度对测频精度几乎没有影响，在此设其T。
BZH和TF模块是两个可控的32位高速计数器，BENA和ENA分别是宽度为p它们的计算允许信号端，高电平有效。
标准频率信号从BZH 的时钟输入端BCLK 输入，设其频率为s F ；经整形后的被测信号从与BZH 相似的32位计数器TF 的时钟输入端TCLK 输入，设其真实频率值为xe F ，被测频率为x F 。
一种高性价比等精度数字频率计方案设计
一种高性价比等精度数字频率计方案设计※—田开坤,刘颖(湖北师范学院电工电子实验中心,黄石435002)摘要:在讨论等精度频率测量原理基础上,结合单片机定时器硬件资源,提出一种基于小规模CPLD(A TF1504AS)和单片机(STC89C52RC)的等精度数字频率计方案,包括实际电路图、Verilog HDL硬件语言设计的CPLD方案、MCU关键程序代码、程序流程图和实际测试结果。
实现了从m Hz到M Hz频率的宽范围、高精度测量。
关键词:等精度频率测量;CPLD;单片机中图分类号:TP206.1 文献标识码:AA Co st2effective Precision Digital Frequency Meter※—Tian K aikun,Liu Ying(Electrician and Electronics Experiment Center,Hubei Normal University,Huangshi435002,China)Abstract:After discussing t he principle of precision frequency measurement,a precision digital frequency meter based on small2scale CPLD(A TF1504AS)and MCU(STC89C52RC)is designed wit h MCU hardware timer resources,The scheme achieved wide range high2precision measurement from m Hz to M Hz.K ey words:precision frequency meter;CPLD;MCU引 言频率的概念就是1s时间内被测信号的周期个数,最直接的测量方法就是单位时间内计数法,这种方法比较适合高频测量。
等精度数字频率计设计
设计项目指标要求：
1、测频范围1Hz～100MHz。 2、测频精度：测频全域相对误差恒为百万分之一。
简易数字频率计的工作原理
译码、显示 标准秒脉冲
锁存信号LOAD 锁存器
控制器电路
计数输出
LOAD EN RST
输入信号Fin
闸门信号EN 8位十进制计数器
复位信号RST
1秒 1秒
简易数字频率计测频精度讨论：
黄冈师范学院课程改革项目中期检查汇报课
《EDA技术》
主讲：物科院 冯 杰
课程改革项目内容简介
1、理论课教学体系和教学模式：
打破传统教材格局，重构课程教学体系。
将课程全部内容分为11个教学“案例”。采用“案例式”教学模式。 1-4案例为基础部分。通过教学，使学生掌握EDA技术相关的基本知 识，掌握现代数字系统的设计思想和方法。 通过5-11等7个以学生生活实际和电子方面真实产品设计等工程项目 的案例教学，激发学生学习先进的电子技术的兴趣，强化学生应用意识， 让学生养成主动探索、努力进取、团结协作的习惯，培养学生工程实践能 力和创新意识。 11个案例如下：
课程改革项目内容简介
1、理论课教学体系和教学模式：
基础部分（1-3章：自学） （1）原理图设计方法、仿真技术及编程下载 （2）VHDL语言结构、编程方法、仿真技术（以组合电路为主） （3）时序电路设计（以计数器为主） （4）状态机程序设计（顺序控制器） 实际工程应用专题部分 （5）数字钟、闹钟及校园打铃系统设计 （6）霓虹灯控制电路设计 （7）交通灯控制电路设计 （8）数据采集系统设计（A/D转换控制器设计）
问题1的解决方案：
利用触发器将EN和输入信号FSIN进行同步
思考：既然精 度为100％，为 什么又提出误 差为百万分之 一？
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江西理工大学应用科学学院SOPC/EDA综合课程设计报告完成时间2012年01月03日目录第一章设计项目的分析:1.1 设计原理1.2 设计要求1.3 设计思路第二章项目工作原理及模块工作原理2.1 项目工作原理2.2 频率测量模块的工作原理2.3 周期测量模块的工作原理2.3.1 直接周期测量法2.3.2 等精度周期测量法2.4 脉宽测量模块的工作原理2.5 占空比测量模块的工作原理第三章系统设计方案3.1 等精度数字频率计项目设计方案3.1.1等精度数字频率计的原理图3.1.2系统的主要组成部分3.1.3系统的基本工作方式3.1.4 CPLD/FPGA测频专用模块的VHDL程序设计3.2 测频/测周期的实现3.3 控制部件设计3.4 计数部件设计3.5 测量脉冲宽度的工作步骤第四章主要VHDL源程序4.1 频率计测试模块4.2 计数模块4.3 测频、周期控制模块4.4 测脉宽、占空比控制模块4.5 自校/测试频率选择模块4.6 计数器二频率切换模块第五章项目硬件测试及仿真结果5.1 硬件试验情况5.2 仿真结果第六章设计总结附录一参考文献第一章设计项目的分析1.1 设计原理频率计用一个频率稳定度高的频率源作为基准时钟，对比测量其他信号的频率。
通常情况下计算每秒内待测信号的脉冲个数，此时我们称闸门时间为1s。
闸门时间也可以大于或小于1s。
闸门时间越长，得到的频率值就越准确，但闸门时间越长则每测一次频率的间隔就越长。
闸门时间越短，测得频率值刷新就越快，但测得的频率精度就受影响。
1.2 设计要求(1) 对于频率测试功能，测频范围为0.1 Hz～70 MHz；对于测频精度，测频全域相对误差恒为百万分之一。
(2) 对于周期测试功能，信号测试范围与精度要求与测频功能相同。
(3) 对于脉宽测试功能，测试范围为0.1 μs～1 s，测试精度为0.01 μs。
(4) 对于占空比测试功能，测试精度为1%～99%。
1.3 设计思路利用计数器A对时钟脉冲信号进行计数，同时使用另一个计数器B对被测信号计数。
当测量时钟脉冲信号的计数器A累积到一定数值时，将计数器B的结果传送到触发器中并通过一个时钟脉冲锁存，并译码送到七段数码管输出。
为了使测量误差尽可能小，可以在被测信号的上升沿使计数器A和计数器B同时计数，为此，可添加一个D触发器，以被测信号作为D触发器的时钟信号，高电平为输入端，输出端Q作为两个计数器的计数允许信号。
其原理可用图1表示。
基于传统测频原理的频率计的测量精度将随被测信号的频率的下降而降低，在使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。
第二章项目工作原理及模块工作原理2.1 项目工作原理图2-1 等精度数字频率计工作原理图图中“预置门控制信号”CL可由单片机发出，可以证明，在1秒~0.1秒时间选择的范围内，CL的时间宽度对测频精度几乎没有影响，在此设其宽度为Tpr。
BZH和TF模块是两个可控的32为高速计数器，BENA和ENA分别是它们的计数允许信号端，高电平有效。
标准频率信号从BZH的时钟输入端BCLK输入，设其频率为Fs；经整形后的被测信号从与BZH相似的32为计数器TF的时钟输入端TCLK输入，设其真实频率值为Fxe，被测频率为Fx。
测频原理说明如下：图2-2 TOP 模块图测频开始前，首先发出一个清零信号CLR，使两个计数器和D触发器置0，同时通过信号ENA，禁止两个计数器计数。
这是一个初始化操作。
然后由单片机发出允许测频命令，即令预置门控信号CL为高电平，这时D触发器要一直等到被测信号的上升沿通过时Q端才被置1，与此同时，将同时启动计数器BZH和TF，进入“计数允许周期”。
在此期间，BZH和TF分别对呗测信号和标准信号同时计数。
当Tpr秒后，预置门信号被单片机置为低电平，但此时两个计数器仍没有停止计数，一直等到随后而至的呗测信号的上升沿到来时，才通过D触发器将这两个计数器同时关闭。
被测频率值为Fx，标准频率为Fs，设在一次预置门时间Tpr中对被测信号计数值为Nx，对标准信号的计数值为Ns，则下式成立：Fx/Nx=Fs/Ns由此可推得：Fx=（Fs*Nx）/Ns最后通过控制SEL选择信号和64位至8位的多路选择器MUX64—8，将计数器BHZ和TF中的两个32位数据分8此读入单片机并按照上式进行计算和结果显示。
2.2频率测量模块图2-3 自校/测试频率选择模块图图2-4 计数器二频率切换模块（1）直接测频法：把被测频率信号经整形电路处理后加到闸门的一个输入端，只有在闸门开通时间T（以秒计）内，被计数的脉冲送到十进制计数器进行计数。
（2）组合测频法：是指在高频时采用的直接测频法，低频时采用直接测量周期法测信号的周期，然后换算成频率。
（3）倍频法：是指把频率测量范围分成多个频段，使用倍频技术，根据频段设置倍频系数，将经整形的低频信号进行倍频后再进行测量，对高频段则直接进行测量。
被频法较难实现。
（4）等精度测频法2.3 周期测量模块图2-5 测频、周期控制模块图（1）直接周期测量法：用被测信号经放大整形后形成的方波信号直接控制计数门控电路，使主门开放时间等于信号周期Tx，时标为Ts的脉冲在主门开放时间进入计数器。
设在Tx期间计数值为N，可以根据以下公式来算得被测次你好周期：Tx=N*Ts经误差分析，可得结论：用该测量法测量时，被测信号的频率越高，测量越大。
（2）等精度周期测量法：该方法在测量电路和测量精度上与等精度频率测量完全相同，只是在进行计算时公式不同，用周期1/T代换频率f即可，其计算公式为：Tx=（Ts*Ns）/Nx2.4 脉宽测量模块图2-6测脉宽、占空比控制模块图在进行脉冲宽度测量时，首先经信号处理电路进行处理，限制只有信号的70MHZ幅度及其以上部分才能输入数字测量部分。
脉冲边沿被处理得非常陡峭，然后送入测量计数器进行测量。
测量电路在检测到脉冲信号的上升沿时倒开计数器，在下降沿时关闭计数器，设脉冲宽度为Twx，计算公式为：Twx=Nx/fs2.5 占空比测量模块对于占空比K的测量，可以通过测量正反两个脉宽的计数值来获得。
设正脉宽的计数值N1，对负脉宽的计数值为N2，则周期计数值为N1+N2，于是K为：K=N1/（N1+N2）*%第三章系统设计方案3.1等精度数字频率计项目设计方案3.1.1等精度数字频率计的原理等精度数字频率计涉及到的计算包括加、减、乘、除，耗用的资源比较大，用一般中小规模CPLD/FPGA芯片难以实现。
因此，我们选择单片机和CPLD/FPGA的结合来实现。
电路系统原理框图如图3-1所示，其中单片机完成整个测量电路的测试控制、数据处理和显示输出；CPLD/FPGA完成各种测试功能；键盘信号由AT89C51单片机进行处理，它从CPLD/FPGA读回计数数据并进行运算，向显示电路输出测量结果；显示器电路采用七段LED动态显示，由8个芯片74LS164分别驱动数码管。
图3-1 等精度数字频率计电路系统原理图3.1.2等精度数字频率计主要由以下几个部分组成（1）信号整形电路。
用于对待侧信号进行放大和整形，以便作为PLD器件的属于信号。
（2）测频电路。
测频电路是测频的核心电路模块，可以由FPGS等PLD器件担任。
（3）单片机电路模块。
用于控制FPGA的测频操作和读取测频数据，并作出相应数据处理。
安排单片机的P0口直接读取测试数据，P2口香FPGA发控制命令。
（4）100MHZ的标准频率信号源。
本模块采用高频稳定度和高精度度的晶振作为标准频率发生器，产生100MHZ的标准频率信号直接进入FPGA。
（5）键盘模块。
可以用5个键执行测试控制，一个是复位键，其余是命令键。
（6）数码显示模块。
可以用7个数码管显示测试结果，最高可表达百万分之一的精度。
考虑到提高单片机I/O口的利用率，降低编程复杂性，提高单片机的计算速度以及降低数码显示器对主系统的干扰，可以采用串行静态显示方式。
3.1.3系统的基本工作方式如下(1) P0口是单片机与FPGA的数据传送通信口，P1口用于键盘扫描，实现各测试功能的转换；P2口为双向控制口。
P3口为LED的串行显示控制口。
系统设置5个功能键：占空比、脉宽、周期、频率和复位。
(2) 7个LED数码管组成测量数据显示器，另一个独立的数码管用于状态显示。
(3) BCLK为测频标准频率50 MHz信号输入端，由晶体振荡源电路提供。
（4）待测信号经放大整形后输入CPLD/FPGA的TCLK。
3.1.4 CPLD/FPGA测频专用模块的VHDL程序设计利用VHDL设计的测频模块逻辑结构如图4所示，其中有关的接口信号规定如下：(1) TF(P2.7)：TF=0时等精度测频；TF=1时测脉宽。
(2) CLR/TRIG(P2.6)：当TF=0时系统全清零功能；当TF=1时CLRTRIG的上跳沿将启动CNT2，进行脉宽测试计数。
(3) ENDD(P2.4)：脉宽计数结束状态信号，ENDD=1计数结束。
(4) CHOICE(P3.2)：自校/测频选择，CHOICE=1测频；CHOICE=0自校。
(5) START(P2.5)：当TF=0时，作为预置门闸，门宽可通过键盘由单片机控制，START=1时预置门开；当TF=1时，START有第二功能，此时，当START=0时测负脉宽，当START=1时测正脉宽。
利用此功能可分别获得脉宽和占空比数据。
(6) EEND(P2.3)：等精度测频计数结束状态信号，EEND=0时计数结束。
(7) SEL[2..0](P2.2，P2.1，P2.0)：计数值读出选通控制。
3.2 测频/测周期的实现(1) 令TF=0，选择等精度测频，然后在CONTRL的CLR端加一正脉冲信号以完成测试电路状态的初始化。
(2) 由预置门控信号将CONTRL的START端置高电平，预置门开始定时，此时由被测信号的上沿打开计数器CNT1进行计数，同时使标准频率信号进入计数器CNT2。
(3) 预置门定时结束信号把CONTRL的START端置为低电平(由单片机来完成)，在被测信号的下一个脉冲的上沿到来时，CNT1停止计数，同时关断CNT2对fs的计数。
(4) 计数结束后，CONTRL的EEND端将输出低电平来指示测量计数结束，单片机得到此信号后，即可利用ADRC(P2.2)、ADRB(P2.1)、ADRA(P2.0)分别读回CNT1和CNT2的计数值，并根据等精度测量公式进行运算，计算出被测信号的频率或周期值。
图3-2 测频模块逻辑图图3-3 测频/测周期的实现电路图3.3 控制部件设如图3-3所示，当D触发器的输入端START为高电平时，若FIN端来一个上升沿，则Q端变为高电平，导通FIN→CLK1和FSD→CLK2，同时EEND被置为高电平作为标志；当D触发器的输入端START为低电平时，若FIN端输入一个脉冲上沿，则FIN→CLK1与FSD→CLK2的信号通道被切断。