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基于FPGA数字频率计的设计及应用.doc
参 考 文 献
目 录
摘 要.......................................................................................................... 1
关键词..........................................................................................................1
Abstract........................................................................................................ 1
Key words.................................................................................................... 1
1 绪论...........................................................................................................2
1.1 研究背景及意义........................................................................................2
1.2 FPGA 原理概述.........................................................................................2
1.3 Quartus II 软件平台概述.............................................................................3
1.4 硬件设备概述...........................................................................................3
2 相关技术背景...........................................................................................3
2.1 无源测量法............................................................................................... 3
2.2 有源测量法............................................................................................... 3
2.3 等精度测量法............................................................................................7
3 系统分析...................................................................................................7
3.1 系统设计原理............................................................................................7
3.2 系统模块划分............................................................................................8
4 功能模块设计...........................................................................................9
4.1 频率测量模块............................................................................................9
4.2 数据处理模块..........................................................................................12
4.3 显示模块.................................................................................................13
5 测试仿真实现.........................................................................................15
5.1 频率测量模块仿真...................................................................................16
5.2 显示模块仿真..........................................................................................16
6 结束语.....................................................................................................16
参考文献......................................................................................................17
[摘 要] 数字频率计是用数字显示被测信号频率的仪器，是一种应用非常广泛
的电子仪器，被测信号可以是正弦波，方波或其它周期性变化的信号。本设计基
于 FPGA 的设计方法，设计采用硬件描述语言 Verilog，在软件平台 QuartusⅡ15.0
上完成，可以在较高的时钟频率下正常工作。并使用仿真软件对 Verilog 程序做
了仿真，完成综合布局布线。本论文等精度测频法实现了高精度测频的目的。
[关键词]
Verilog HDL；数字频率计；EDA；FPGA；Quartus II 15.0
Design and implementation of FPGA-based digital frequency meter
Tian Xiaosen
[Abstract]
A digital frequency meter is an instrument that displays the frequency of the signal
being measured, and is a very widely used electronic instrument, and the signal under test can be a sine
wave, square wave, or other periodic lying signal. Based on the FPGA design method, the design uses
the hardware description language Verilog, which is completed on the software platform Quartus
II.15.0 and can work at higher clock frequencies. The Verilog program was simulated by simulation
software, integrated layout and wiring were completed, and finally downloaded to the lab board to be
implemented. This paper uses the equivalent precision frequency measurement method to achieve the
purpose of high-precision frequency measurement.
[Key words] Verilog HDL；Digital Frequency；EDA；FPGA；Quartus II 15.0
1
1 绪论
1.1 研究背景及意义
随着数字电路技术的发展，数字电路技术和模拟电路技术都在以极高的速度开展，数字
频率计作为必不可少的一种数字电路设计自然也是开展的很快的，数字频率计不光在各个领
域得到了广泛的使用，还一直以来坚持住了一定的位置。
它被广泛应用于航天、电子、测控等领域范畴。频率计的优化正在更加智能化地行进，尤其
是数字频率计也成为了人们在日常生活中、科学领域中不可或缺的测量仪器。从我们常见的
数字万用表等电子设备，再到更为广阔领域的数字卫星等领域内都含有频率计，可以预料到，
数字频率计将成为未来频率测量仪器发展的主要方向。
正因为频率在多个领域内是无法省略的参数，所以可以毫不夸张地说，任何地方都对数
字频率计有使用需要，所以才更加需要去设计拥有较低误差以及性能质量高的数字频率计，
可见数字频率计在数字电子技术的发展过程中占有着举足轻重的地位。现在要求数字频率计
尽量要到达高精度、低差错、自动进行的目的，在到达最基本需求的情况下，还需要向精简
电路、提高性价比和功能可设置的方向去发展。数字频率计的精度，主要取决于两个点，最
主要的一点需要去改进外部的测量设备，另一方面就是提高内部的测量。当下，已知常用的
测量频率的方法也有很多种，本论文后续会做一个简单的介绍。
1.2 FPGA 技术原理概述
1.2.1 FPGA 技术
现场可编程门阵列 FPGA（Field Programmable Gate Array）是美国的一家知名公司最
先开发的一种可编程器件，一般更多的应用于普通用户。FPGA 这种技术不仅仅具有一般普
通门阵列器件的优势，即高集成度和通用性，还有一般门阵列不具备的特点，即用户的编程
的灵活性。这种产品的技术优越性在于灵活的逻辑单元和高集成度，可用于多种电子设备，
现已被大范围推广使用[2]。
FPGA 所包含的内容大致有以下三个部分：位于芯片中央的可编程功能单元；位于芯片
四周的可编程 IO 模块；分布在芯片各处的可编程布线资源。因此，FPGA 和其他类型的可编
程 ASIC 一样，用户可以去自己编程来实现自己想要的专门的功能。
1.2.2 EDA 技术
EDA（Electronics Design AutomaTIon）技术是以计算机为工作平台，以硬件描述语言
为 设 计 语 言 ， 以 可 编 程 器 件 为 实 验 载 体 ， 以 ASIC(Application Specific Integrated
Circuits)、SOC(System On Chip)和 SOPC(System On Programmable Chip)芯片为目标器件
去进行对必要元器件的建模和系统仿真电子产品自动化设计过程[1]。EDA 技术又称电子设
计自动化技术，它不仅在发展速度上有较快的优势，在包含的内容方面，也是非常广泛的 [7]。
EDA 技术所涉及的范围很广，所包含的内容也比较丰富，从实用的方面来说，应主要掌
握以下四方面的内容：一是硬件描述语言；二是大规模可编程逻辑器件；三是实验开发系统；
四是软件开发工具[5]。
1.2.3 FPGA 编程语言
FPGA 设计使用的两种主要语言是 Verilog HDL 和 VHDL，两种语言是有相似的特点的，
最相似的是都能够抽象地去表示出电路的逻辑结构，都能够支持在逻辑设计过程中的对层次
的描述。Verilog HDL 能够使用高级言语的结构来简化对电路的杂乱描绘， VHDL 具有对电
路的仿真和验证机制，这点 Verilog HDL 也是相似的[10]。
Verilog HDL 和 VHDL 又是不同的，在许多地方仍存在区别。首先不同的便是各自的语
言使用群体。Verilog HDL 言语早在 1983 年就已被推出，所以 Verilog HDL 言语比 VHDL 言
语的设计和使用群体就相对来说会多许多，资源也会比 VHDL 言语的资源丰富。
2
1.2.4 verilog 语言
本次设计首要用到的便是 Verilog 语言，这种语言常常使用于日常中对数字电路的设
计，包括时序和组合逻辑电路的设计。用 Verilog 言语去编程将要设计的电路，在设计完
程序全编译后就会构成该电路的一个模型，通常是 RTL 图，点开每个模块的 RTL 图便是依据
编写的程序构成的电路。设计者既能够依据所设计的电路的功能去编写程序，同样也能够去
用程序描述元件之间的衔接方式，两种方式都能够用来建立电路的模型。Verilog 模型能够
是实际电路的不同级别的抽象[1]。
1.3 Quartus II 软件平台概述
在本次设计中我们主要用到的就是 Quartus II 和 ModelSim 两个软件，两者相结合既可
以观察仿真的结果，也可以设计我们所用到的数字电路结构，Quartus II 软件在数字电路
被设计时能够去指引初学者将所有精力放在设计上，所以初学者不会觉得有多难，如果不是
把精力放在对软件的应用上，那对于初学者来说，就减轻了很大的负担。本文中设计数字频
率计的过程中所用的软件采用 Quartus II 15.0 版本，仿真采用 ModelSim 软件，两者相结
合完成所设计电路的时序仿真和波形观察[11]。
也正因为 ModelSim 软件它的编译速度和仿真速度都还算比较快，并且编译的代码与在
哪个仿真平台没有关系，也可保护 IP 核，所以是我们选择了 ModelSim 作为 FPGA 的仿真软
件[4]。
1.4 硬件设备概述
1.4.1 ZX_1 开发板
图 1 开发板实物图（正面）
1. 百兆以太网接口（DM9000A）
2. USB2.0 接口（CY7C68013A）
图 2 开发板实物图（反面）
3
4. 无源蜂鸣器
6. 6 位连体共阳极七段数码管
8. 四位轻触按键
10. 重新加载按键
12. VGA 视频显示接口（256 色）
14. 16Mbit 串行 Flash
3. PS2 接口
5. 四个翠绿色流水灯
7. LCD12864 液晶
9. 系统复位按键
11. 串行通信接口（MAX232）
13. AS 下载接口
15. JTAG 下载接口
16. ALTERA 四代 FPGA 芯片（EP4CE10F17C8N）
17. 16PIN 接口（LCD1602/4*4 矩阵键盘）
18. 128MByteSDRAM（HY57V281620A）
19. 板载 48MHZ 有源晶振
20. 外接 4*4 矩阵键盘
系统时钟：
to,location
clk, pin_E1
系统复位：
to,location
rst_n, pin_K1
1.4.2 内部电路配置
图 3 四位按键配置电路
FPGA 管脚：
key[0]， pin_L3
key[2]， pin_J6
key[1]， pin_L1
key[3]， pin_N1
图 4 EEPROM 配置电路
4
FPGA 管脚：
eeprom_scl, pin_L2
eeprom_sda, pin_L4
图 5 七段数码管配置电路
FPGA 管脚：
sel[2]，pin_L6
sel[0]，pin_M7
seg[1]，pin_T10
seg[3]，pin_T8
seg[5]，pin_T6
seg[7]，pin_T4
sel[1]，pin_N6
seg[0]，pin_T11
seg[2]，pin_T9
seg[4]，pin_T7
seg[6]，pin_T5
FPGA 管脚：
a[0], pin_J15
a[2], pin_P14
a[4], pin_T14
a[6], pin_L12
a[8], pin_K12
a[10], pin_J16
ba[0], pin_G15
dom[1], pin_F9
scke, pin_K11
图 6 SDRAM 配置电路
a[1], pin_N14]
a[3], pin_N13
a[5], pin_L13
a[7], pin_L14
a[9], pin_J13
a[11], pin_J12
ba[1], pin_J14
dom[0], pin_C15
sclk, pin_J11
5
nscas, pin_F16
nscs , pin_G16
dq[1], pin_B12
dq[3], pin_A14
dq[5], pin_A15
dq[7], pin_C16
dq[9], pin_F14
nwe , pin_D16
ncras, pin_F15
dq[0], pin_A12
dq[2], pin_A13
dq[4], pin_B14
dq[6], pin_B16
dq[8], pin_F10
dq[10], pin_G11 dq[11], pin_F13
dq[12], pin_D14
dq[14], pin_F11
dq[13], pin_C14
dq[15], pin_D12
1.4.3 EP4CE10F17C8N 芯片
Altera 的 Cyclone IV E 装置的核心电压为 1.0 V 和 1.2 V。Cyclone IV 设备是小型应
用在无线、有线、广播、消费者和通信行业工业低成本的理想选择。
Cyclone IV 设备使用 SRAM 单元存储配置数据。配置数据是每次开机时下载到 Cyclone IV
设备的数据。低成本配置选项包括 Altera EPCS 系列串行闪存设备和并行闪存配置选项。这
些选项提高了用于通用应用的灵活性，并能够满足特定配置和应用程序的唤醒时间要求。该
EP4CE10F17C8N 芯片采用 256 引脚，可以工作在 0℃到 85℃，约有 10k 的逻辑单元，器件的
速度等级约最大是 400Mhz。
2 相关技术背景
2.1 无源测量法
2.1.1 谐振测频法
谐振法测频就是通过观察谐振电路与被测信号频率谐振时所产生的现象，由此得到被测
信号的频率。具体操作为，让被测信号输入变压器式的谐振系统电路中，然后对电路中的电
容值进行调节，使电路完成谐振。谐振法测量频率的精度大约在±(0.25～1)%的范围内，通
常作为频率粗测或者某些仪器的附属测频部件。
采用这种方法测量范围有限，测量精度不仅受器件的影度响较大，而且受测量方法的影
响也较大。
2.1.2 电桥测频法
电桥法测频是通过交流电路电桥的平衡与电桥自身的电源频率有关的特性来测量频率
的，具体操作为，将调节电桥的可变电阻、电容按频率的刻度进行调节，由此，在电桥达到
平衡的时候，便可以从直观地读得被测信号的频率。
这种电桥测频法的测量精度约为±(0.5～1)%。但是在测量高频信号时，依赖性强的参
数会受到较为严重的影响，使得这种方法的测量精度大幅度下降，因此，这种电桥测频方法
仅适用于 l0KHz 以下的音频范围[3]。
2.2 有源测量法
2.2.1 拍频法
拍频法测频是把被测正弦信号 ux，其频率为 fx，与基准频率为 fc 的信号 uc 直接叠加
在线性元器件上，得到一个合成信号 u，形态近似的正弦波，它的振幅随着时间不断变化，
变化的频率恰好等于两频率之差，于是我们将此称之为拍频 F。则：
fx
fc
F
（1）
拍频法测频通常在音频频率域内，由于在相同的频率前提条件下，高频信号的频率变化
会受到较大影响，从而变化极大，因此，此方法只适合在音频频率域内，不适合用于高频信
号的频率测量[14]。
6
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