摘 要

文章概述了几种测量频率的方法，介绍了不同方法测频的基本原理，并对几种测量频率的方法进行了比较详细的分析，详细讲述了他们的方法的优点和使用的局限。然后根据等精度测频法设计出等进度测频计。

文章介绍了EDA技术及相应的开发环境、所涉及的编程语言，简要介绍了单片机。文中着重分析了等进度测量频率的原理、误差、及影响精度的因素。运用等精度测量原理设计出一台等精度频率测量仪。借助了EDA技术完成频率计主要模块的实现，详细介绍了本设计的工作流程，每一个小部分实现的功能、原理以及设计实现的方法。设计采用FPGA加单片机组合的形式完成。通过仿真和实测试的方式完成设计验证。测试结果表明，设计逻辑正确，测量频率范围和精度达到了预期的目标。

关键词：等精度、EDA、频率计

ABSTRACT

This paper introduces several methods of measuring frequency, introduces the basic principle of frequency measurement of different methods, and makes a detailed analysis of several methods of measuring frequency, and details the advantages and limitations of their methods. And then according to the accuracy of frequency measurement method to design such as the progress of frequency measurement.

The article introduces the EDA technology and the corresponding development environment, the programming language involved, briefly introduces the microcontroller. In this paper, the principle, error and influencing factors of equal measurement frequency are analyzed emphatically. The use of precision measurement principle to design a precision frequency measurement instrument. With the help of EDA technology to complete the realization of the main module of the frequency meter, the design flow of each design, each part of the realization of the function, principles and design and implementation methods. Designed to use FPGA and single-chip combination of the form to complete. Through the simulation and real test to complete the design verification. Test results show that the design logic is correct, measuring the frequency range and accuracy to achieve the desired goal.

Key words：Equal precision、EDA、Frequency meter

目录

第一章 绪论 1

1.1 设计背景 1

1.2 频率计发展的现状 1

1.3 课题内容 2

第二章 测量频率方法的介绍 3

2.1 直接测量法 3

2.2 等精度测量法 5

2.3 变换域法 6

2.4 转换法 7

第三章 EDA技术介绍 8

3.1 EDA 技术的发展 8

3.1.1 EDA概述 8

3.1.2 计算机辅助设计（CAD）阶段 8

3.1.3 计算机辅助设计（CAE）阶段 9

3.1.4 电子设计自动化EDA阶段 9

3.2 EDA设计特点 9

3.3 设计流程 10

3.4 Quartus II软件 10

3.4.1 Quartus II软件介绍 10

3.4.2 Quartus II使用流程 11

3.5 SignalTap II 软件 11

3.5.1 SignalTap II 介绍 11

3.5.2 SignalTap II 使用流程 12

3.6 Verilog语言综述 13

第4章 基于等精度测量原理的频率计设计 14

4.1 设计目标 14

4.2 整体方案 14

4.3 设计方案 15

4.3.1 信号整形模块 15

4.3.2 标准信号模块 18

4.3.3 计数模块 18

4.3.4 单片机主控 19

4.3.5 SPI通信 21

4.4 测试、结果 22

4.4.3 实物测试 22

4.4.4 结果分析、讨论 22

4.4.5 总结 22

第5章 前景和展望 23

参考文献 24

附录一 FPGA计数代码 25

致谢 27

第一章 绪论

1.1 设计背景

频率的数学意义就是周期的倒数，通常周期信号频率的定义为在1秒内信号发生变化的次数。在数字信号处理过程中，测量信号的频率是一个必不可少的步骤。在机电自动化领域中，频率计有着很广泛的应用^[1]。提高频率计测量精度，稳定性对后期分析和处信号具有重要意义。

一个好的数字频率计应该具备测量速度快，范围大，精度高，外界干扰对系统影响小等特点，且还应该尽可能降低制造成本。近年来可编程技术不断发展，Programmable logic devices应用越来越多，仪器的集成度和稳定性有所提高，因此，目前市场上的频率计已经无法满足快速发展的需要^[2]。测量精度是衡量一个频率计好坏的关键指标。很多因素都会对数字频率计的精度产生影响，例如采用的设计方案，频率测量的方法，标准参考信号频率的大小等。

随着对数字电路系统的要求不断增加，系统变得越来越复杂，使用传统的集成电路芯片设计制作的系统体积越来越大，可靠性，便携等需求难以满足。另一方面传统的设计方法设计周期长，投入的人力物力较多，而现如今电子产品更新换代快，传统的设计方法很难跟上产品更新换代的步伐。使用可编程逻辑器件能够很好地解决这个问题。使用可编程逻辑器件可以将所设计的系统大部分集成于一片很小的芯片上，且设计随时可以更改。由于这个过程中引入计算机完成了大部分设计工作。所以能够大大提高开发的效率，节省投入。

1.2 频率计发展的现状

现如今，计算机计数高速发展，各种硬件同样飞速发展。两者在客观上有利推进了频率计的发展。经过了这么多年的发展革新，测量频率的技术不断在改进，测量精度，响应速度等等不断提高。在实验室中，频率计的测量精度能够达到。在工业运用和科学研究中，通过提高参考信号的频率，测量精度能达到到的范围^[3] 。对于市场上种类繁多的测量仪器，它们的功能不同，适用场合不同，价格差异较大。在选购频率计的时候，应该根据实际的情况，选择需要的频率计。

目前市场上质量公认的的频率计品牌有安捷伦、Pendulum Instruments等。