目 录
一、 引言 1
（一） 频率计的发展背景 1
（二） 频率计的国内外发展现状 2
（三） 本文主要内容 2
二、 方案分析 3
（一） 功能分析 3
（二） 系统模块划分 3
三、 硬件电路设计 5
（一） FPGA芯片简介 5
（二） 数码管电路设计 6
四、 开发平台软件介绍 6
（一） Quartus II仿真软件简介 6
（二） VHDL描述语言 7
五、 各模块程序设计与逻辑仿真 8
（一） 时基产生与测频时序控制模块 8
（二） 待测信号脉冲计数电路模块 9
（三） 锁存与译码显示控制电路模块 10
（四） 正弦波发生器模块 11
（五） 顶层文件描述 12
六、 调试以及仿真过程中出现的问题分析总结 16
（一） Quartus II软件的安装问题 16
（二） 代码的编写 16
（三） Modelsim仿真程序的构建 16
总结,..................................................................................................................................19
致谢 .18
参考文献 19
附录 程序 20
引言
频率计的发展背景
频率计指的是能够对信号进行快速测量的一种电子仪器，它有别于示波器和频谱仪中的频率测量功能，示波器虽然也能够对频率进行测量，但是其测量结果的精度和准确度非常低，不能够应用在一些高精度测绘场合，而频谱仪的频率测量结果虽然具有较高的精度和准确度，然而其测量速度却非常地慢，在一些快速信号测量场合，不能担当重任。频率计的出现，具有示波器的快速性以及频谱仪的高精度性的特点，使得它能够在绝大多数频率测量中得到广泛使用。频率计控制系统通常由控制模块、显示模块、时基模块以及计数模块组成
 *景先生毕设|www.jxszl.com +Q: ^3^5`1^9`1^6^0`7^2# 
中的频率测量功能，示波器虽然也能够对频率进行测量，但是其测量结果的精度和准确度非常低，不能够应用在一些高精度测绘场合，而频谱仪的频率测量结果虽然具有较高的精度和准确度，然而其测量速度却非常地慢，在一些快速信号测量场合，不能担当重任。频率计的出现，具有示波器的快速性以及频谱仪的高精度性的特点，使得它能够在绝大多数频率测量中得到广泛使用。频率计控制系统通常由控制模块、显示模块、时基模块以及计数模块组成，其性能以及功能受主控微处理器的制约，因此目前市面上频率测量范围最大、测量结果精度和准确性最高的一类频率计全由FPGA或者ARM芯片作为主控核心，而一些成本较低性能中等的频率计采用普通单片机作为主控。频率计控制系统的发展主要得益于数字器件以及电子技术的发展与成熟，在这之前，历史上也有能够实现频率测量的仪器出现，只是当时集成技术还没发展，因此整个仪器的电路都采用分立元件进行搭建，仪器的外形体积和重量都相当惊人，不但如此，其稳定性也是时好时坏，当将其投入产线上使用时，受到其稳定性的影响，产线往往工作不顺利，另外其维修也十分不易。在电路集成技术发展成熟以后，频率计中的分离器件模拟电路模块都可以通过集成芯片代替，这时的频率计体积就大大缩小，仪器的稳定性和性能都大幅提高，这就好比是显像管电视机和液晶电视的区别，前者体积庞大，维修不易，而后者体不但体积小，显示效果也是碾压前者。频率计的性能取决于其主控芯片以及算法流程，优秀的微处理器芯片结合流畅性能高的算法，则能够实现优秀的频率测量结果，采用FPGA器件结合硬件描述语言是构建一款高性能频率计的不错选择，由于FPGA器件的主频速度往往能够达到上百MHz，指令采用并行执行方式，控制器模块、时基模块、计数模块以及显示模块都能够在FPGA芯片内部实现，因此往往一块FPGA芯片便能够实现一个高性能的片上系统，近年来许多高精度的频率计仪器内部都采用了FPGA做主控，在实际生产中，将这些频率计用于晶振元器件的性能测量，通过这些高性能的频率计，能够快速发现不合格的晶振，提高企业的生产品质；而在通信方面，使用频率计测量本振的输出频率，用以提高混频效果，提升通信能力，本文以频率计为设计目标，选用FPGA作为主控芯片，设计一款高性能的频率计控制系统，下图1为常见的采用FPGA设计的频率计仪器。


图1 频率计
频率计的国内外发展现状
性能优良、操作方便的频率计对企业以及科研的发展是具有极大推动作用的，在晶振生产工厂里，频率计能够快速地测量出不合格产品，并且能够将不合格晶振的输出频率快速测量出来，使得企业能够及时修正生产参数；而在通信实验室内，混频、跳频等技术都离不开频率计，因此目前国内外对于频率计的研究十分广泛，研究重点不但要提高频率计的精度，更加重要的是如何使频率计功能多样化，研究者的研究目标是如何将频率测量、波形测量以及频谱分析结合在一起，由于目前市场上已经有相关产品，因此研究者正在不断将这三个功能的精度以及测量速度提高。
本文主要内容
本文主要设计了一款基于FPGA的频率计，以VHDL作为硬件描述语言，在Quartus II开发平台上进行代码的编写，使用Mentor公司的M仿真软件对系统进行仿真并将各模块的功能通过时序图进行展示，频率计实现了频率测量范围为10Hz至10MHz的指标,并且能够具有输出正弦波和方波的功能。
方案分析
功能分析
本课题以基于FPGA的频率计作为研究对象，要实现如下价格指标：
频率计的测量范围为100至1MHz；
能够对一些常见的波形（正弦波、方波以及三角波）进行频率测量；
能够输出正弦波以及方波脉冲。
下面对三个功能分别进行方案设计，对于功能1，难点在于测量范围的上限频率，这主要考验的是硬件的性能，本系统选用EP2C系列FPGA器件能够很完美的实现这个测量能力，该器件的主频达到300M，并且内部集成了两个锁相环模块，因此只需要使用一个20M的有源晶振输入时钟信号，通过锁相环模块对20M的时钟信号进行倍频就可以实现300M的主频处理速度，在该处理速度下，配合下文结构优良的硬件程序，能够很好的实现100至1MHz的频率测量范围。
对于功能2，FPGA之所以能够测量方波信号的频率，是通过FPGA能够自动识别方波脉冲的上升沿和下降沿实现
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