基于FPGA的八位数字频率计设计开题报告

1. 研究目的与意义

现代电子设计技术的核心EDA技术，依赖于计算机，在EDA工具软件平台上采用高级语言描述手段完成设计文件，自动地对系统完成逻辑编译、逻辑化简、逻辑优化及仿真测试等设计，直至实现既定的电子线路系统功能。EDA技术是一门综合性学科，它打破了软硬件间的壁垒，使计算机软件技术与硬件实现、软件性能和硬件指标、设计效率和产品性能合二为一，它代表了电子设计技术和应用技术的发展方向。FPGA为实现ASIC这一目标途径的主流器件，直接面向用户，具有极大灵活性和通用性，使用方便。利用这一技术设计的产品可以极大地方便我们的生活，因而学会利用这一人类智慧的结晶是很有必要和意义的。

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尤为重要。数字频率计是数字电路中的一个典型应用，数字频率计的被测信号可以是正弦波、方波或其它周期性变化的信号，如配以适当的传感器，还可以对多种物理量进行测试，比如机械振动的频率。实际的硬件设计用到的器件教多，连线比较复杂，而且会产生比较大的延时，造成测量误差、可靠性差。随着现场可编程阵列FPGA的应用，以EDA工具作为开发手段，运用Verilog等硬件描述语言，将使整个系统大大简化，提高了系统的整体性能和可靠性。本项目拟在QuartusⅡ软件平台上应用Verilog文本输入设计方法实现八位十进制数字频率计。同时通过下载程序到DE2开发板上，实现频率的实时显示。研究本项目可以巩固和加深对EDA技术、数字电子技术的基本知识的理解，提高综合运用本科时期所学知识的能力。培养硬件设计、软件设计及系统软、硬件调试的基本思路、方法和技巧，并能熟练使用当前较流行的一些有关电路设计与分析的软件和硬件。

2. 国内外研究现状分析

数字频率计是一种基础测量仪器，到目前为止已有30多年的发展史。早期，设计师们追求的目标主要是扩展测量范围，再加上提高测量精度、稳定度等，目前这些基本技术日臻完善，成熟。应用现代技术可以轻松地将数字频率计的测频上限扩展到微波频段。

随着科技发展，用户对数字频率计也提出了新的要求。对于低档产品要求使用操作方便，量程宽，可靠性高，价格低。而对于中高档产品，则要求有高分辨率，高精度，高稳定度，高测量速率；除通常通用频率计所具有的功能外，还要有数据处理功能，统计分析功能，时域分析功能等等，或者包含电压测量等其他功能。主要方案有三种：即利用大量的复杂的元器件搭建；利用集成电路组建；利用单片机为控制中心器件测频；利用fpga制作数字频率计。

而高档的产品及微波计数式频率计而言，由于空间技术、雷达技术、通讯技术、微波器件测量等方面的发展，迫切需要微波频率计适应这种发展的需要。要求频率计数字化、快速自动化，宽频带、高精度，因而促进了微波频率计的性能不断完善和提高。目前国际上智能数字频率计行业已经渐进成熟，现国内也出现智能数字频率计这一行业，前景广阔。

3. 研究的基本内容与计划

根据频率的定义和频率测量的基本原理，测定信号的频率必须有一个脉宽为1秒的输入信号脉冲计数允许的信号；1秒计数结束后，计数值被锁入锁存器，计数器清零，为下一测频计数周期作好准备。

本课题的研究内容为数字频率计的fpga实现，主要涉及信号的预处理、数据采集、计算、译码及量程的自动转换等功能模块的软硬件实现。用verilog语言进行设计，采用芯片智能控制，结合外围电子电路，得以进行高低频率的精度测量。采用定时、计数的方法测量频率，通过下载程序到de2开发板上，实现频率的实时显示。本课题需要掌握fpga设计知识，掌握vhdl/verilog程序设计、quartus软件工作环境和niosii软核操作环境，熟悉fpga-de2开发版的配置，内核和接口等知识。

任务时间按排为：

4. 研究创新点

频率测量在科技研究和实际应用中的作用日益重要。传统的频率计通采用组合电路和时序电路等大量的硬件电路构成，产品不但体积较大，运行速度慢，而且测量低频信号时不宜直接使用。频率计以FPGA为核心，在Quartus软件工作环境和NiosII软核操作环境下利用Verilog语言编辑，下载到FPGA-DE2开发版上完成的数字频率计具有性能优良，可靠性好、频率信号抗干扰性强、易于传输、成本低功耗低、可以获得较高的测量精度、开发周期短等特点。