基于FPGA的频率计设计.doc

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1、设计一台基于PC机的简易数字频率计软、硬件，信号为：矩形波、正弦波、三角波，信号峰幅范围：1mV-10V，精度：0.1级，频率范围：愈宽愈好！目录第一章总体方案设计31.1背景与概述31.2频率计主要指标31.3测量方法设计3第二章硬件部分信号调理设计72.1信号调理流程设计72.2信号调理部分各个模块设计7第三章软件部分频率测量设计113.1分频模块设计113.2计数模块设计123.3控制模块设计133.4频率测量软件整体设计143.5FPGA控制LCD显示16第四章串口传输及上位机软件设计174.1串口传输设

2、计174.2上位机软件设计18第五章设计总结215.1设计总结21附录1：部分模块Verilog代码22附录2：上位机软件主要C#代码29第一章总体方案设计1.1背景与概述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内变化的物理量。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。在传统的电子测量仪器中，

3、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

4、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。1.2频率计主要指标频率计可以测量的信号包括矩形波、正弦波、三角波，信号峰幅范围为1mV-10V，精度为0.1级，可测量频率为1Hz-10MHz。1.3测量方法设计频率测量主要使用FPGA来实现。输入原始信号首先当输出方波信号后，利用FPGA来测量频率。在测量时主要考虑到两种情况。一种是所测量的频率较高时，采用计数测频法，测量时对原始信号进行分频，而计数周期也要根据信号的大致范围来选择，信号频率越高，计数周期也越短。这样做主

5、要是防止计数值超过计数器的最大计数值而导致测量错误。而当原始信号频率较低时，需要采用计时测周法，此时也要进行适当的分频，并根据所测信号频率的大致范围选择合适的高频时钟。具体分析如下：首先应选择较高的分频系数以及较短的计数周期来测量频率的大致范围，在根据范围选择合适的分频系数及计数周期。先对所测信号进行1/64分频，计数周期选为1/64秒，然后根据计数值对应如表1-1所示关系选择合适的分频系数及计数周期。表1-1第一次尝试测量后状态选择计数值对应的频率范围状态分频系数选择计数周期选择8192以上8.4MHz以上01

6、/641/16秒1024-81911.05MHz-8.4MHz11/161/8秒128-1023131KHz-1.05MHz21/41/4秒64-12716KHz-131KHz31/21秒64以下16KHz以下-测出范围改用计时测周法测量当测出频率在16KHz以下时，进行第二次尝试，选1/2的分频系数和1秒的计数周期，根据所测出的频率范围对照表1-2，选择合适的分频系数和高频时钟周期，再用计时测周法进行测量。表1-2第二次尝试测量后状态选择计数值对应的频率范围状态分频系数选择高频时钟周期1024-81922048

7、Hz-16KHz41/1282M128-1024128Hz-1024Hz51/322M16-12816Hz-128Hz61/22M16以下16Hz以下71/2200K通过上述方法，就可以将信号的频率精确地测量出来。流程图如图1-1。为分析测量的精度，将测量中各种情况的测量方法总结如表1-3。从表中可分析看出，在进行精确计算时，计数器的计数值最小为6250，因此测量过程中的误差可以保证在0.02%以内，满足0.1级的精度。图1-1频率测量流程图表1-3测量中遇到的各种情况分析序号第一次测量计数值第二次测量计数值原始

8、信号频率测量方法精确测量时参数选择精确测量时计数值范围最终频率计算公式分频系数测量周期高频时钟08192以上-8.4MHz以上计数测频法1/641/16秒-8192以上N*1028(N*64*16)11024-8191-1.05MHz-8.4MHz1/161/8秒-8192-65536N*128(N*16*8)2128-1023-131KHz-1.05MHz1/41/4秒