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1、基于FPGA的等进度数字频率计设计方案摘 要摘要：根据等精度测量的原则，提出一种基于FPGA的等进度数字频率计设计方案。介绍了等精度的多周期同步测频原理,并对其测量精度和特点同传统测量方法进行了对比分析,证明了多周期同步测频方法的优势。基于周立功公司生产的EasyFPGA030开发板，在Libero8.5集成开发软件环境下,采用硬件编程语言VerilogHDL编计器模块，除法器模块，并且用Synplify进行综合，ModelSim进行仿真并且给出它们的仿真结果，Designer进行布局布线，利用FlashPro和并口线下载到开发板上。利用AT89C51单片机与共阳极LED数码管对测量结果进行动
2、态显示。利用74LS244三态缓冲器和三极管对电流进行放大，使得LED数码管更亮。利用74LS14集成施密特触发器的反相器进行信号的整形。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1Hz1MHz，证明该设计方案切实。关键词：等精度；频率测量；FPGA；VerilogHDL；Libero。 AbstractAbstract: According to the principle of measurement etc precision, proposed based on FPGA digital frequency of design project progress. Intro
3、duces the principle of frequency measurement with etc precision and synchronous, and comparative analysis the measurement precision and features with the traditional measuring method. With more than proved step frequency method with etc precision and synchronous has periodic advantage.Based on the Z
4、houLiGong company production EasyFPGA030 development board, in Libero8.5 integrated software development environment, using hardware VerilogHDL programming language to write counter module, divide module. With Synplify synthetically, with ModelSim simulation giving simulation results, Designer layou
5、t wiring. Using FlashPro download the design to development board.Use MUC and LED digital tube to show the measurement results. Use 74LS244 tristate buffers and transistor to amplify current that LED digital tube brighter. Use 74LS14 Schmitt toggle integration to plastic signal. Through simulation a
6、nd download to the development board, can achieve the function of frequency measurement etc precision, Frequency measurement range from 1Hz to 1MHz. Proof of this scheme is feasible,Keywords: equal precision, frequency measurement, FPGA, Libero, HDL目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.2 课题来源、目的和意义21.3
7、 本文结构3第2章 主要研究内容42.1 引言42.2 数字频率计主要技术指标442.3 常用直接测频的方法52.4 等精度频率测量算法52.5 等精度测量误差分析62.6 总体设计72.7 本章小结7第3章 FPGA设计93.1 引言93.2 计数器模块113.2.1 分频模块123.2.2 预置闸门模块133.2.3 实际闸门模块133.2.4 计数Nx模块143.2.5 计数Ns模块143.2.6 通信控制模块153.2.7 计数器各模块连接详图153.3 除法器模块163.3.1 除法控制器173.3.2 除法运算器193.3.3 通信信号转换模块213.3.4 除法器各模块连接详图2
8、13.4 本章小结22第4章 显示及信号整形设计244.1 引言244.2 单片机显示模块254.2.1 单片机显示软件件设计284.2.2 单片机显示硬件设计294.3 信号整形模块304.4 本章小结31第5章 总体设计验证32结 论34致 谢36参考文献37第1章 绪论1.1 课题背景EDA(Electronic Design Automation电子设计自动化)代表了当今电子设计技术的最新发展方向，通过VHDL（Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language）硬件描述语言的设计，用FPGA（FieldPr
9、ogrammable Gate Array现场可编程门阵列）来实现小型电子设备的设计，是开发仪器仪表的主流。据统计，目前发达国家在电子产品开发中EDA工具的利用率已达50，而大部分FPGA已采用HDL（Hardware Description Language硬件描述语言）设计。由于VHDL已成为IEEE标准，目前的EDA工具可以使ASIC系统的行为、功能、算法用VHDL描述直接生成FPGA器件，使设计者将精力集中于设计构思，提高了设计效率，同时也利于设计的分解、交流和重用。目前最主要的方法是基于单片机和FPGA或CPLD利用EDA技术设计实现等精度频率测量，这使设计过程大大简化，缩短了开发周
10、期，减小了电路系统的体积，同时也有利于保证频率计较高的精度和较好的可靠性。而实现等精度的算法主要是，在计数法和测周期法基础上发展起来的新型等精度频率测量算法，主要原理是预置闸门信号频率时随着被测信号频率的改变而改变，从而实现了等进度的测量。目前，市场上的频率计厂家可分为三类：中国大陆厂家、中国台湾厂家、欧美厂家。其中，欧美频率计厂家所占有的市场份额最大。欧美频率计厂家主要有：Pendulum Instruments和Agilent科技。Pendulum Instruments公司是一家瑞典公司，总部位于瑞典首都斯德哥尔摩。Pendulum公司源于Philips公司的时间、频率部门，在时间频率测
11、量领域具有40多年的研发生产经历。Pendulum Instruments公司常规频率计型号主要有：CNT-91、CNT-90、CNT-81、CNT-85。同时，Pendulum Instruments公司还推出铷钟时基频率计CNT-91R、CNT-85R。以及微波频率计CNT-90XL（频率测量范围高达60G）。Agilent科技公司是一家美国公司，总部位于美国的加利福尼亚。Agilent科技公司成立于1939年，在电子测量领域也有着70多年的研发 1生产经历。Agilent科技公司的常规频率计信号主要有：53181A、53131A、53132A。同时，Agilent科技公司还推出微波频率计
12、：53150A，53151A，53152A（频率测量范围最高可达46G）。课题来源、目的和意义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。频率计在电子工程，资源勘探发挥着巨大作用，有条不紊地工作着，高效率地支配着系统的运行，是工程技术人员必不可少的测量工具。频率计最重要的功能是根据基准时钟信号实现对被测信号的频率进行检测。由此而延伸的频率测量是电子测量领域里的一项重要内容1。在传统的电子测量仪器中，示波器在进行频率测量时测量精度较低，误差较大。频谱仪可以准确的测量频率并显示被测信号的频谱，但测量速度较慢，无法实时快
13、速的跟踪捕捉到被测信号频率的变化。正是由于频率计能够快速准确的捕捉到被测信号频率的变化，因此，频率计拥有非常广泛的应用范围。 在传统的生产制造企业中，频率计被广泛的应用在产线的生产测试中。频率计能够快速的捕捉到晶体振荡器输出频率的变化，用户通过使用频率计能够迅速的发现有故障的晶振产品，确保产品质量。在计量实验室中，频率计被用来对各种电子测量设备的本地振荡器进行校准。在无线通讯测试中，频率计既可以被用来对无线通讯基站的主时钟进行校准，还可以被用来对无线电台的跳频信号和频率调制信号进行分析。频率计又称为频率计数器，是一种专门对被测信号频率进行测量的电子测量仪器。其最基本的工作原理为：当被测信号在特
14、定时间段内的周期个数为时，则被测信号的频率。 频率计主要由四个部分构成：时基电路、输入电路、计数显示电路以及控制电路。在一个测量周期过程中，被测周期信号在输入电路中经过放大、整形、微分操作之后形成特定周期的窄脉冲，送到主门的一个输入端。主门的另外一个输入端为时基电路产生电路产生的闸门脉冲。在闸门脉冲开启主门的期间，特定周期的窄脉冲才能通过主门，从而进入计数器进行计数，计数器的显示电路则用来显示被测信号的频率值，内部控制电路则用来完成各种测量功能之间的切换并实现测量设置2。在工程测量中不少物理量的测量，如时间测量，速度测量，速度控制等，都涉及到频率测量。频率信号抗干扰性强，易于传输，可以获得较高的测量精度，所以测量频率的方法的研究越来越受的重视。随着科技发展，人们对频率测量的进度要求越来越高，在此基础上的等精度频率计具有相当重要的意义。而常用的的直接测频方法在实用中有较大的局限性， 2其测量精度随着被测信号的频率改变，测量的精度也改变，而且对被测信号的计数要产生个数字误差，而等精度频率计不但具有较高的测频精度，不随所测信号的变化而变化，在整个测频区域能保持恒定的测频精度3。1.2 本文结构本文主要内容如下：第2章中，介绍等精度频率测量的理论基础和设计方案。第3章中，FPGA设计。EasyFPGA030开发板，Libero8.5集成开发环境介绍
