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1、#基于FPGA勺高精度频率计设计摘要频率计是一种应用非常广泛的电子仪器，也是电子测量领域中的一项重要内容，而 高精度的频率计的应用尤为广泛。目前宽范围、高精度数字式频率计的设计方法大都采 用单片机加高速、专用计数器芯片来实现。传统的频率测量利用分立器件比较麻烦，精 度乂比较低，输入信号要求过高，很不利丁高性能场合应用。本论文完成了高精度数字频率计硬件设计和软件设计。该数字频率计主要包括FPG呼日单片机两大部分。其中FPG席S分乂可分为数据测量模块、FPGAfn单片机接口 模块、FPG麻日数码管动态扫描部分。FPG席S分采用verilog语言编写了电路的各模块 电路，选用了当前比较流行的ED所发
2、软件Quartus II作为开发平台，所有模块程序 均通过了编译和功能仿真验证。对测频系统的设计流程、模型的建立和仿真做出了具 体详细的研究，验证了该系统的正确性。单片机部分采用 C51编写了控制软件。本设计中以FPG/W件作为系统控制的核心，其灵活的现场可更改性，可再配置能 力，对系统的各种改进非常方便，在不更改硬件电路的基础上还可以进一步提高系统 的性能。关键词：频率计，单片机，FPGA电子设计自动化#Design of High-accuracy Digital Frequency MeterBased on FPGAABSTRACTFrequency meter is a kind o
3、f electronic instrument applied widely. A kind of high-accuracy digital frequency meter is designed based on FPGA in this papeAt present extends the scope,the high accuracy digital frequency meters design method to use the monolithic integrated circuit to add, the special-purpose counter chip mostly
4、 to realize high speed.The design of system hardware and system software is accomplishedin the paper. System consists of FGPA and MCU. The circuit based on FPGA includes following some parts: data acquisition module, interface between FPGA and MCU, module scanning number tube. Every circuit module i
5、s realized by verilog.The platform of development is Quartus II and all modules procedure is demonstrated by compiling and simulation. Detailed research of design flow, model establishmentand system simulation is done. The correctnessof the system is demonstrated. The software based on MCU is progra
6、mmed by C51.In this design takes the systemscontrol by the FPGA component thecore, its nimble scene alterability, may dispose ability again, is convenient to systems each kind of improvement, in does not change in hardware circuits foundation also to be possible to further enhancesystemsperformance.
7、Thesystem has the advantageof high-accuracyand convenience. It s practicability of frequency meter is well.KEY WORDS : Frequency meter, MCU, FPGA, electronic design automation目录摘要IABSTRACTII.第1章绪论11.1研究背景及意义11.2国内外研究现状11.2.1频率计的测量方法 11.3 EDA技术简介31.4本论文内容及安排4第2章频率测量方法与原理 62.1直接测频法62.2利用电路的频率特性进行测量 72
8、.2.1电桥法测频82.2.2谐振法测频82.2.3频率一电压转换法测频82.3等精度测量法82.4本意小结10第3章 系统总体设计方案 11.3.1 频率计系统设计任务与分析 1.1.3.1.1频率计系统设计任务要求 11.3.1.2频率计系统设计任务分析 11.3.2系统总体设计方案 1.1.3.3 FPGA内部功能模块设计 123.4本意小结14第4章系统的硬件电路设计154.1 FPGA部分的硬件设计 154.1.1 FPGA 简介154.1.2 FPGA芯片的选型154.2单片机部分的硬件电路设计 174.2.1单片机的选型原则 174.2.2单片机控制电路的设计 184.3外围电路
9、设计194.3.1键盘接口电路194.3.2显示电路19#4.3.3电源电路204.3.4信号放大整形电路204.3.4其它电路214.4本章小结22第5章系统的软件设计235.1 VERILOG HDL 语言简介235.2 QUARTUSII 软件简介245.3基丁 EDA技术的设计方法 255.3.1自底向上的设计方法 255.3.2自顶向下的设计方法265.4 FPGA内部功能模块设计265.4.1 D触发器模块275.4.2 32位高速计数器模块 285.4.3二选一选择器模块295.4.4并一申转换接口模块315.4.5申一并转换接口模块315.4.6二进制数到8421BCD码转换模
10、块 325.4.7 LED动态扫描显示控制模块 335.5单片机部分的软件设计355.6 本意小结36第6章结论37致谢39参考文献40附录I 顶层原理图42附录II VERILOG程序源代码 43基于FPGA的高精度频率计设计#第1章绪论1.1研究背景及意义在电子测量技术领域内，频率是一个最基本的参数。它不仅是各种强弱电信号的 物质本质参数之一，还因为频率信号的抗干扰性强、易丁传输、可以获得较高的测量 精度等特点使各种非电信号，诸如速度、力、图像、音讯等物理量都可以转换为电频 率信号。因此工程中很多测量，如用振弦式方法进行力的测量、时间测量、速度测量、 速度控制等都涉及到频率测量。因此，研究
11、频率计具有一定的实用价值2。数字频率 计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、尖脉冲信号以及其它各种单位时间内变化的物理量3。在测控系统中， 测频方法的研究越来越受到大家的重视，多种非频率量的传感信号都要转化为频率量 来进行测量，而频率计作为测量频率的仪器被广泛应用丁工业生产、实验室、国防等 领域。1.2国内外研究现状由以上所述可见，研究设计一种测量精度高、测频范围广、在更小的空间内实现 更多的功能、有灵活的现场可更改性的高精度数字频率计显得越来越重要。本课题正 是针对丁此，研究、设计一种频率计，旨在提高频率测量的高精度、及时性等性能指 标。
12、下面就简单的介绍下国内外关丁数字频率计的研究现状。1.2.1频率计的测量方法目前频率测量的方法有很多，在进行频率测量时，往往关心的是频率所测量的范 围、精度要求以及被测对象的特点。而测量所能达到的精度，不仅取决丁所测的频率 源的精度，而且取决丁所使用的测量设备和测量方法。目前测量频率的方法有多种， 频率计的种类也各种各样。频率计的基本原理是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。典型的传统的方法是计算每秒内待测信号的脉冲个数， 此时闸门时间为1 秒。闸门时间也可以大丁或小丁 1秒。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
13、越短，测的频率值刷新就越快， 但测得的频率精度就受影响4。1）常用的数字频率的测量方法可以分为:(a) 直接测量法(以下称M法)M法是在给定的闸门时间内测量被测信号的脉冲个数进行换算得出被测信号的频 率。这种测量方法的测量精度取决丁闸门时间和被测信号频率。当被测信号频率较低 时将产生较大误差，除非闸门时间取得很大。所以这种方法比较适合测量高频信号的 频率。(b) 周期测量法(以下称T法)T法是通过测量被测信号的周期然后换算出被测信号的频率。这种测量方法的测量 精度取决丁被测信号的周期和计时精度，当被测信号频率较高时，对计时精度的要求 就很高。这种方法比较适合测量频率较低的信号。(c) 综合测量
14、法(以下称M /T法)M /T法具有以上两种方法的优点，它通过测量被测信号数个周期的时间然后换算 得出被测信号的频率，可兼顾低频与高频信号，提高了测量精度。但是M法、T法和M /T法存在土 1个字的计数误差问题：M法存在被测闸门内土 1个被测信号的脉冲个数误 差，T法或M /T法也存在 1个字的计时误差，这个问题成为制约测量精度提高的一 个重要原因。2) 根据测频工作原理还可将频率测量方法分成以下几类：(a) 利用电路的某种频率响应来测量频率谐振测频法和电桥测频法是这类测频方法的典型代表：前者常用丁低频段的测量， 后者主要用丁高频或微波频段的测量。谐振法的优点是体积小、重量轻、不要求电源 等，
15、目前仍获得广泛应用。(b) 利用标准频率与被测频率进行比较来测量频率采用比较法测量频率，其准确度取决丁标准频率的准确度。拍频法、示波器法以 及差频法等均届丁此类方法范畴。拍频法和示波器法主要用丁低频频段的测量，差频 法主要用丁高频频段的测量，它的显著优点是测试灵敏度高4。以上两种方法都适合丁模拟电路中实现，还有一类目前最广泛使用的计数测频法 则适合丁数字电路实现。该方法是根据频率定义，记下单位时间内周期信号的重复次 数。3) 从采用的芯片类型和技术来划分：从采用的芯片类型和技术来划分，有五种设计方案，不同的测量方法和不同的设 计技术在实现的效果上有很大区别。(a)采用通用中、小规模集成芯片SSI、MSI等纯硬件设计，方法比较繁琐和陈旧， 在目前的设计领域中很少使用。（b）采用单片数字频率计芯片，如ICM7216等专用芯片硬件实现，简单易行，但只有固定的一般功能和通用的基本指标，这种芯片的最高计数频率仅有15MHz,远不能达到在一些场合需要测量很高频率的要求，而且测量精度也受到芯片本身的限制。（c）采用单片机系统设计的数字频率计（直接测频法），此种方法虽然能达
