基于FPGA的数字频率计设计

攀枝花学院本科毕业设计（论文）基于FPGA的数字频率计设计学生姓名：学生学号：200610504115院（系）：电气信息工程学院年级专业：2006级测控技术与仪器指导教师：二〇一〇年六月攀枝花学院毕业设计(论文)摘要I摘要在电子技术中，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十分重要。数字频率计是数字电路中的典型应用，是电子测量与仪表技术最基础的电子仪器之一，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。与传统的频率计相比，数字频率计具有精度高、测量范围大、可靠性好等优点。是频率测量的重要手段之一。该论文研究基于FPGA的数字频率计的设计，在QuartusII环境中，运用VHDL语言完成数字频率计的设计，并对设计进行综合、编译、仿真。通过仿真分析，证明该频率计测量结果的正确性。本文的主要内容概括如下：①介绍了数字频率计的基本内容和重要性，并对数字频率计的国内外研究现状进行了总结；并概括了本次设计的主要任务和内容。②介绍了数字频率计设计开发环境，并对FPGA、QuartusII、VHDL进行了详细介绍对开发流程详细说明。③根据实际需要对数字频率计设计方法、方案进行了可行性比较，并对其实现的功能进行了具体要求，对设计模块进行了划分，并定义了每个模块所实现的功能。④用VHDL语言编程，具体实现频率计各个模块的功能,对数字频率计仿真并验证其功能。关键词：FPGA，QuartusII，VHDL，频率计攀枝花学院毕业设计(论文)ABSTRACTIIABSTRACTInelectronics,frequencyisoneofthemostbasicparameters.Andithaveacloserelationshipwithmanymeasurementprogramofelectricalparametersandmeasurementresults,sothemeasurementoffrequencyisveryimportant.Digitalfrequencymeterisatypicalapplicationsindigitalcircuit,andoneofthemostbasicelectronicdevicesinelectronicmeasurementandinstrumentationtechnology.Digitalfrequencymeterisanindispensablemeasuringinstrumentsforscientificresearchandproductionascomputers,communicationsequipment,audio,video.Comparedwiththeconventionalfrequencycounter,digitalfrequencymeterhaveahighaccuracy,measurementrangeandagoodreliability.Itisoneofimportantmeasureforfrequencymeasurement:Thethesisresearchindesignofdigitalfrequencymeter,FPGA-based.VHDLlanguageisusedtocompletethedesignofdigitalfrequencymeterinQuartusII,andcompletedthesiswithcomposited,compiled,simulated.Throughsimulationandanalysis,Theresultsshowthattheaccuracyofmeasureforthefrequency.Themaincontentsofthisthesisaresummarizedasfollows:Firstly,itintroducedtheimportanceandbasiccontentofdigitalfrequencymeter,andcurrentresearchissummarized.themaintasksandcontentofthisdesignaresummarized.Secondly,designanddevelopmentenvironmentofdigitalfrequencymeterareintroduced.FPGA,QuartusIIandVHDLaredescribedindetail.Thirdly,accordingtotheactualneedsofthedigitalfrequencymeter,designmethodanddesignprogramarecomparedtoachievethefunctionsoftheirspecificrequirements,anddefinesthefunctionsofeachmoduletoachievethefunction.Lastly,thefunctionsofeachmoduleachievedwithVHDLlanguageprogramming,simulationandverifyfunctionalityofthedigitalfrequencymeterKeywordsFPGA，QuartusII，VHDL，digitalfrequencymete攀枝花学院毕业设计(论文)目录1攀枝花学院毕业设计(论文)1绪论11绪论数字频率计(DFM)是电子测量与仪表技术最基础的电子仪表类别之一,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，而且它是数字电压表(DVM)必不可少的部件，因此，数字频率计的发展对整个电子产品的发展起着举足轻重的作用。本文采用测频法的思想，利用FPGA设计数字频率计，为提高检测可靠性和效率奠定了坚实的基础。1.1数字频率计概述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、尖脉冲信号及其他各种单位时间内变化的物理量。当今数字频率计不仅是作为电压表、计算机、天线电广播通讯设备、工艺过程自动化装置。集成数字频率计由于所用元件少、投资少、体积小、功耗低、且可靠性高、功能强、易于设计和研发,使得它具有技术上的实用性和应用的广泛性。不论从彩色电视机、电冰箱，DVD，还是现在家庭常用到的数字电压表、数字万用表等都包含有频率计。在智能化、数字化科技发展的今天，数字频率计已成为频率计发展的方向，与传统的频率计相比，数字频率计具有测量速度快、精度高、量程大、设计简单、读数方便等优点。因此，数字频率计的发展对整个电子产品的发展起着举足轻重的作用[1]。近年来，我国在数字频率计研究领域发展迅速。目前，数字频率计的设计可以直接面向用户需求，根据系统的行为和功能要求，自上至下的逐层完成相应的描述、综合、优化、仿真与验证，直到生成器件。1.2数字频率计的国内外研究现状由于社会发展和科技发展的需要，信息传输和处理的要求的提高，对频率的测量精度也提出了更高的要求，需要更高准确度的时频基准和更精密的测量技术。而频率测量所能达到的精度，主要取决于作为标准频率源的精度以及所使用的测量设备和测量方法。目前，国内外使用的测频的方法有很多，有直接测频法、内插法、游标法、时间-电压变化法、多周期同步法、频率倍增法、频差倍增法攀枝花学院毕业设计(论文)1绪论2以及相位比较法等等。直接测频的方法较简单，但精度不高。内插法和游标法都是采用模拟的方法，虽然精度提高了，但是电路设计却很复杂；时间-电压变化法是利用电容充放电时间进行测量，由于经过A/D转换，速度较慢，且抗干扰能力较弱。多周期同步法是精度较高的一种。为了进一步的提高精度，通常采用模拟内插法或游标法与多周期同步法结合使用，虽然精度有了进一步的提高，但始终未解决1个字的计数误差，而且这些方法设备复杂，不利于推广。频率误差倍增法可以减小计数器的1个字的误差，提高测量精度。但用这种方法来提高测量精度是有限的，因为如要得到13210的测量精度，就要把被测频率xf倍频到111/210Hz5000MHzxmf，这无论是对倍频技术，还是对目前的计数器都是很难实现的。频差倍增-多周期法是一种频差倍增法和差拍法相结合的测量方法。这种方法是将被测信号和参考信号经频差倍增使被测信号的相位起伏扩大，在通过混频器获得差拍信号，用电子计数器在低频下进行多周期测量，能在较少的倍增次数和同样的取样时间情况下，得到比测频法更高的系统分辨率和测量精度。但是仍然存在着时标不稳而引入的误差和一定的触发误差。以上只是对现存的几种主要的测频方法的概述，很显然从以上的分析中知道：不同的测频方法在不同的应用条件下是具有一定的优势。总之，频率(时间)测量技术发展非常快。在频标方面，一方面是追求新的更高稳定度和准确度的新型频标，据报道，实验室中做出频率准确度优于1310的频标。一方面是提供便于工业、科研应用的商品化频标，如小铯钟、铷频标、新型高稳定度晶体振荡器等这些工作多在计量研究与工业部门进行。大量的工作在改进、创造新的测频原理、方法和仪器，以便以更高的精度、速度，自动进行测量和数据处理，并向多功能、小型化、高性价比方向发展。在提高测频精度方面，值得特别提出的有全同步取样技术和可校准通用电子计数器技术，它们使测频精度提高到一个新的水平[2]。我国的频率计不是落后发达国家太多，我国在这个领域的发展是极其迅速的，现在的技术实际已是多年来见证。我国现阶段电子产品的市场特点,电子数字化发展很快。在我国和发达国家的发展情况是趋于一致的，数字频率计已经应用于高科技等产品上面，可以不无夸张的说没有不包含有频率计的电子产品。我国的CD、VCD、DVD和数字音响广播等新技术已大量进入市场;而在今天这些行业中都必须用到频率计。到今天频率计已开始并正在向智能、精细方向的发展。国外的发展比我国要早，所以在这些行业中还领先于我们，我国还是缺少开发和研发的资金投入，很多的电子企业都不太乐意去花大量的时间、资金和精力去研究和开发，这也就使得我国在这方面的人力和资金都不充足，也就无法于发达国家相比，不能够形成一个量产的效果。从而很多的企业没有竞争力，这也和我国其他的民族产业存在相同的情况，这也正是我国在高速发展后的今天很少有攀枝花学院毕业设计(论文)1绪论3自己的民族品牌的原因，所以我国应该大力的支持自己的民族品牌，不仅仅是要在资金和人才的投入，还要有具体的实际行动并起到一定的保护作用。1.3该设计研究的主要任务和内容该设计根据频率计原理，采用测频法的设计思想，在QuartusII开发环境中，利用VHDL语言设计了数字频率计，并通过仿真验证了设计的正确性。全文分为五章，各章的内容安排如下：第1章主要介绍了数字频率计的使用场合、国内外研究现状，交代了该论文研究的主要任务和内容。第2章主要介绍了数字频率计的开发环境：FPGA、QuartusII、VHDL。简单介绍了FPGA以及用FPGA设计的特点、优点和用FPGA开发大规模数字系统的设计流程；介绍了QuartusII的发展和使用；介绍了本次设计所使用的VHDL语言的发展状况、优点，以及VHDL作为硬件描述语言编程流程。第3章介绍了数字频率计的设计方案，对数字频率计的设计方法和设计方案进行了定性分析和选择，确定了设计要求，并划分了频率计各个模块，确定了各个模块所要达到的功能。第4章具体实现频率计的功能并编程实现功能。概述了实现方法原理；通过编程，实现了各个模块的功能；通过编译仿真分析并验证频率计所能实现的功能。第5章对全文进行了总结，分析设计的不足和存在的问题。攀枝花学院毕业设计(论文)2数字频率计开发环境介绍42数字频率计开发环境介绍2.1FPGA简介2.1.1FPGA简介传统的数字系统设计一般采用搭积木式的方法进行，即由器件搭建成电路板，由电路板搭成数字系统。系统常用的“积木块”是固定功能的标准集成电