摘 要

频率作为信号的载体，其抗干扰能力较强，而且在传输过程当中，比较方便也比较稳定。因为频率信号具有以上的优点，所以在对频率信号进行测量时也能获得较高的测量精度。频率测量在电子测量领域中占据重要地位，是最基本的测量中的一种，因此对频率测量方法和手段的研究具有极其重要的意义。频率测量的精度不仅要受到系统时钟的影响，测量方法的选择也将很大程度上影响测量的精度。

在频率测量的方法中，主要有三种方法，分别为直接测量方法，周期测量方法以及等精度测量方法。不同的测量方法适合测量不同带宽的频率区间的信号，直接法适合测量高频区间的频率，周期测量法则适合低频区间的测量，等精度测量则能兼顾高频区和低频区频率的测量。本文主要通过对三种以上不同测量方法做出分析和比较，最终选择了在较宽频带内测量精度较高的方法，即等精度的测量方法来实现频率的测量。

此次设计中，根据等精度测频的原理，使用FPGA为工具，quartus II作为开发平台，采用Verilog语言，成功设计了频率计。硬件部分实现了硬件电路的搭建，显示模块使用了单片机开发板自带的显示电路，最终实现了整个的硬件电路平台的搭建和软件编程部分的编写，并且对实物的调试的结果做出了分析。在论文中，讨论了硬件电路部分元器件的选择以及原因，比较了不同的设计方法并根据设计目标做出适当的选择。论文着重对设计原理以及设计结果做了分析。

关键词：FPGA,等精度，频率计，Verilog，quartus II

Abstract

Frequency, as a carrier of the signal, not only does it have a strong anti-interference ability, but also it is convenient and relatively stable in the transmission process. Since the frequency signal has the advantages as you can see above, it is possible to obtain a high measurement accuracy when measuring the frequency signal. Frequency measurement occupies an important position in the field of electronic measurement, which is one of the most basic measurement, so the frequency measurement methods and the means of research is of great significance. The accuracy of the frequency measurement is not only affected by the clock of the system, but also the selection of the measurement method, which will greatly affect the accuracy of the measurement.

In the frequency measurement method, there are three main methods, besides direct measurement method, periodic measurement method and other equal precision measurement methods. Different measurement methods are suitable for different signal of which the bandwidth frequency range are not the same. The direct method is suitable for measuring the signal of high frequency. The period measurement method is suitable for measuring the signal of low frequency. And the equal precision measurement can take into account the measurement of frequency in high frequency region and low frequency region. This paper is mainly about the analysis and comparison of the three method above. Then I choose the measurement method of equal precision to realize the frequency measurement in order to measure the signal in a wide range of frequency.

In this design, according to the principle of precision frequency measurement, I make the use of FPGA as a tool, quartus II as a development platform, Verilog as programing language, and I finally finished the design of the frequency meter successfully. I finally achieved the production of circuit. I directly use the single chip experimental board as the display module. And I made an analysis about the debugging result. In the paper, we discussed the selection and the reason of the components of the hardware circuit, and compared the different design methods and make the appropriate choice according to the design goal. This paper focuses on the principle and results of the design.

Keywords: FPGA, precision, frequency meter, Verilog, quartus II

目 录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 频率计的发展现状及趋势 2

1.3 论文结构以及预期效果 3

第2章 数字频率计设计方法的研究 4

2.1 基于脉冲计数的测量的方法 4

2.1.1 直接测频法 4

2.1.2 周期测频法 6

2.2 等精度测频法 8

2.3本章小结 10

第3章 频率计的设计 11

3.1放大整形模块 11

3.1.1 放大电路 13

3.1.2 整形电路 14

3.2 标准时钟模块 15

3.3 FPGA模块 16

3.4 计算与显示模块 17

3.5 SPI协议 18

3.6 本章小结 19

第4章 系统调试以及调试结果 20

4.1 系统调试以及环境搭建 20

4.2 数据的测量 21

4.3 本章小结 23

第5章 结论 24

参考文献 26

附录 27

致谢 30

第1章 绪论

频率是信号的一种重要的信息，在现代通信技术中，频率经常会用作信息传递的载体，因此也在现代通信中占据极其重要的地位。频率作为信号的一项重要的参数，在电路的设计中通过滤波器的设置可以根据信号不同的频率特性，提取出所需要的目标信号。^[1]

频率计不仅在可以测量一些规则信号的频率，在教学、科研、高精度测量以及工业控制领域中均有广泛应用。虽然示波器可以测量信号的频率，但是其精度不够高，误差较大。频谱仪虽然可以准确测量信号的频率，但是其体积较大，测量速度较慢，不能快速准确测量信号的频率。^[1-3]

为了方便对信号的频率特性进行研究，设计出精度足够好，且较为方便的测量方法非常有必要，因此对频率计技术的发展提出了较高的要求。在传统的频率计设计产品中，基本都是采用专用的芯片和数字电路来组成实现，但是这种设计方法设计出来的频率计会受到这些芯片本身的工作频率的限制，从而限制了产品工作频率的提高。^[2-3]

1.1 研究背景

在早期，频率计的设计采用的是分立式元件，存在着设计周期长，稳定度不高，而且成品的功耗比较大等问题，而且还不能达到理想的测量精度。^[4]在电子电路技术的飞速发展情况下，在数字频率计领域也有很大的发展，无论是其精度稳定度还是体积等诸多技术方面，都有很大的进步和提高，并且数字频率计也相应的有了较为广泛的应用。但是数字频率计也还存在着测量范围有较大局限而且稳定度不够高等诸多问题。并且现代科技发展迅速，电子产品更新周期很快，传统的数字频率计技术很难适应发展要求。^[1-4]

在20世纪末，微电子技术的发展和计算机技术的进步，可编程逻辑门器件也随之产生。现场可编辑逻辑门阵列技术的快速发展和投入使用，使得开发者可以很方便的通过逻辑语言进行电路的设计，其操作性强相对来说比较灵活。现场可编程逻辑门器件通过逻辑语言将传统的集成电路集成在体积很小的芯片上，很大程度上减小了电路的复杂程度和相互干扰，提高了其稳定性。^[5-7]FPGA是现场可编辑逻辑门阵列的缩写，FPGA技术的快速发展，大大节省了在传统的电路设计中硬件设计部分的时间，有更多的时间用来进行电路的设计。使用硬件所对应的描述语言与系统编程软件，可以根据自己的设计思想进行相对应的电路设计，并将所要实现功能所对应的编程语言写入到FPGA器件中，便可实现对应的硬件模块的设计。^[8-10]FPGA技术的发展，也使得频率计的发展变得更加的迅速，人们可以很方便的通过FPGA技术来实现自己的设计思想，而不用花费大量的时间在硬件电路的设计之上，从而大大缩短了频率计设计的周期。并且使用FPGA技术设计和实现的数字频率计更加的稳定，测量精度更高。这样，FPGA技术的产生和快速发展，推动了频率计技术的发展和前进。

1.2 频率计的发展现状及趋势

频率计技术发展到现在已经较为成熟，在1952年，美国就产生了一台在数码管上显示数据并且计数能够达到10MHz的频率计。简单意义上的频率测量技术，无论是其理论研究还是系统方法，在国内外都有较为成熟的发展。^[9-11]近年来，我国的电子产业技术快速发展，并且推动着一系列的对应产业和技术的发展和进步。就目前来说，我国的频率计技术并没有很落后于他发达国家，无论是硬件基础方面还是系统设计方面所对应的技术都已经逐渐成熟。并且在频率计的设计中，已经不再是简单的频率的测量，而是在测量频率的同时可以兼顾测量方波的占空比，相位差，脉宽，周期等等其他的多种参数的测量。影响频率计测量精度不仅仅是测量的方法，还包括硬件平台的优劣。^[2-4,6-8]频率计的发展，正在朝着多功能化，模块化，程控化等方面发展。美国泰克公司在2017年推出的泰克FCA和MCA系列的频率计不仅仅可以精确的测量频率，还能够精确的测量周期、时间、脉冲相位、占空比、Vmax、Vmin、Vp-p等13种不同参数的测量，以往的频率计不含内存，仅仅只有计数器，自身是无法独立来显示信号随时间变化的波形情况，通过外部设备读取也不够方便，而且还需要单独设计软件来进行统计，不仅影响速度还影响成本。泰克公司推出的频率计具有缓冲内存，可以将测量的结果放入缓存中，自身便可以显示信号数据的变化情况，当然也能够连接外部电脑进行辅助测量，很大程度上提高了自动化的能力，变得更加的智能。而且在频率的测量指标多样化，分析能力的加强，很大程度上降低了产品的成本，并且一台仪器可以实现多种仪器的功能，也可以节省实验设备所占用的空间。^[3-7,12-14]