1. 研究目的与意义
频率，是物质在单位时间1s内完成周期性变化的次数，是描述周期运动频繁程度的量，常用符号f或u表示，单位为秒分之一。为了纪念德国物理学家赫兹的贡献，人们把频率的单位命名为赫兹（hz），简称赫，也常用千赫（khz）或兆赫（mhz）或吉赫（ghz）做单位。1khz=1000hz，1mhz=1000000hz 1ghz=1000mhz。 每个物体都有由它本身性质决定的与振幅无关的频率，叫做固有频率。频率概念不仅在力学、声学中应用，在电磁学和无线电技术中也常用。交流电的频率是指它单位时间内周期性变化的次数，单位是赫兹（hz），与周期成倒数关系。日常生活中的交流电的频率一般为 50赫兹或60赫兹，而无线电技术中涉及的交流电频率一般较大，达到千赫兹（khz）甚至兆赫兹（mhz）的度量。频率概念的应用举例如下：
- 工频:中国使用的电是一种正弦交流电，其频率是50hz，即一秒钟内做了50次周期性变化。交流电的频率，工业术语叫做工频。2013年,全世界的电力系统中，工频有两种，一种为50hz，还有一种是60hz。
- 声频:声音是机械振动，能够穿越处于各种物态的物质。这些能够传播声音的物质称为介质。声音不能传播于真空。我们听到的声音也是一种有一定频率的声波。人耳听觉的频率范围约为20－20000hz,超出这个范围的就不为我们人耳所察觉。低于20hz为次声波，高于20khz为超声波。声音的频率越高，则声音的音调越高，声音的频率越低，则声音的音调越低。
- 潮汐频率:在天文潮汐学中，由于各种天体活动周期长，以赫兹的单位显示不便，频率常用的单位为：cph，即cycle per hour。如最常见的m2分潮的周期约为12.42小时，则其频率通常表示为0.08051cph（次/小时）。
- 角频率:周期的倒数叫做频率(用符号f表示)，即 f = 1/t。它表示在单位时间内作周期性循环变化的次数，即表征变化的速率(快慢)。频率的国际单位制是赫兹(hz)。角频率ω与频率f之间的关系为：ω = 2πf。
- 转角频率:【学科术语】在控制工程学科中，ω值称为转角频率。
- 多普勒效应:一种声音尽管只有一个恒定的频率，但是对听者来说，他有时却是变化的。当波源和听者之间发生相对运动时，听者所感到的频率改变的这种现象称为多普勒效应。
- 统计频率:又称相对次数，即某一事件发生的次数被总的事件数目除，亦即某一数据出现的次数被这一组数据总个数去除。频率通常用比例或百分数表示。
为了定量分析物理学上的频率，势必涉及频率测量。频率测量一般原理，是通过相应的传感器，将周期变化的特性转化为电信号，再由电子频率计显示对应的频率，如工频、声频、振动频率等。除此之外，还有应用多普勒效应原理，对声频的测量。测量频率的方法一般分为无源测频法、有源测频法及电子计数法三种。无源测频法(又可分为谐振法和电桥法)，常用于频率粗测，精度在1%左右。有源比较法可分为拍频法和差频法，前者是利用两个信号线性叠加以产生拍频现象，再通过检测零拍现象进行测频，常用于低频测量，误差在零点几hz；后者则利用两个非线性信号叠加来产生差频现象，然后通过检测零差现象进行测频，常用于高频测量，误差在20 hz左右。以上方法在测量范围和精度上都有一定的不足，而电子计数法主要通过单片机进行控制。由于单片机的较强控制与运算功能，电子计数法的测量频率范围宽，精度高，易于实现。基于此，本项目致力于设计一种基于fpga的高精度的数字频率计。 数字频率计是一种基本的测量仪器。它被广泛应用与航天、电子、测控等领域。采用等精度频率测量方法具有测量精度保持恒定，不随所测信号的变化而变化的特点。频率计是计算机、通讯设备、音频视频等诸多领域不可缺少的测量仪器 ,是一种典型的数字化、智能化、自动化的测量仪器 ,并越来越趋于小型化。随着数字电子技术的进一步发展 ,频率测量成为一种越来越普遍的工作 ,数字频率计及其设计也受到越来越广泛的关注。数字频率计的设计原理实际上是测量单位时间内的周期数。这种方法免去了实测以前的预测，同时节省了划分频段的时间，克服了原来高频段采用测频模式而低频段采用测周期模式的测量方法存在换挡速度慢的缺点。 采用一个标准的基准时钟，在单位时间(1s)里对被测信号的脉冲数进行计数，即为信号的频率。由于闸门的起始和结束时刻对于信号来说是随机的，将会有一个脉冲周期的量化误差。进一步分析测量准确度：设待测信号脉冲周期为tx,频率为fx，当测量时间为t=1s时，测量准确度为＆=tx/t=1/fx。由此可知直接测频法的测量准确度与信号的频率有关：当待测信号频率较高时，测量准确度也较高，反之测量准确度也较低。因此直接测频法只适合测量频率较高的信号，不能满足在整个测量频段内的测量精度保持不变的要求。为克服低频段测量的不准确问题，采用门控信号和被测信号对计数器的使能信号进行双重控制，大大提高了准确度。当门控信号为1时，使能信号并不为1，只有被测信号的上升沿到来时，使能端才开始发送有效信号，两个计数器同时开始计数。当门控信号变为0时，使能信号并不是立即改变，而是当被测信号的下一个上升沿到来时才变为0，计数器停止计数。因此测量的误差最多为一个标准时钟周期。当采用100mhz的信号作为标准信号时，误差最大为0.01μs。计算每秒钟内待测信号脉冲个数。这就要求计数使能信号tsten能产生一个1秒脉宽的周期信号，并对频率计的每一计数器cnt10的ena使能端进行同步控制。当tsten为高电平时，允许计数；低电平时，停止计数，并保持其所计的数。在停止计数期间，首先需要一个锁存信号load的上跳沿将计数器在前1秒钟的计数值锁存进32位锁存器reg32b中，并由外部的译码器译出并稳定显示。锁存信号之后，必须由清零信号clr_cnt对计数器进行清零，为下一秒钟的计数操作做准备。当系统正常工作时，脉冲发生器提供的1 hz的输入信号，经过测频控制信号发生器进行信号的变换，产生计数信号，被测信号通过信号整形电路产生同频率的矩形波，送入计数模块，计数模块对输入的矩形波进行计数，将计数结果送入锁存器中，保证系统可以稳定显示数据，显示译码驱动电路将二进制表示的计数结果转换成相应的能够在显示数码管上可以显示的十进制结果。在显示数码管可以看到计数结果。
目前国内外常用频率测量方案如下：
2. 研究内容和预期目标
要求设计一个宽范围频率测量电路，要求测量范围大：测量频率在0.1Hz-10MHz范围内；并能实现结果的智能显示：所有的频率信息及其他参数测量结果通过FPGA控制在LCD上显示。 本项目采用FPGA可编程逻辑器件设计高精度数字频率计，具有集成度高、高速和高可靠性等优点，频率的测量范围可达到0.1Hz-50KHz，测频全域相对误差为百万分之一，完全可以达到任务要求。因此，本系统采用了FPGA器件和单片机结合的方式实现频率测量系统中数字频率计的设计。除被测信号的整形部分、键入部分和LCD显示部分外，其余全部在一片FPGA芯片上实现。系统可测量正玄波、方波和锯齿波等多种波形，而且具有灵活的现场可更改性。采用Verilog语言对FPGA部分进行软件开发与设计，单片机部分采用汇编语言进行。选用的开发环境为QuartusII 7.0，在此环境下进行测频系统的生成、编译和仿真运行。
预期目标： （1）能测量方波、正弦波、三角波的频率； （2）频率测量范围为：0.1Hz-10MHz； （3）测量误差为1/10000； （4）LCD显示测量结果。
3. 研究的方法与步骤
4. 参考文献
1 李鑫彪，王笑怡.《基于FPGA的频率测量仪设计》. 微处理机. 2014.5. 2 应毓海.《FPGA高精度测量频率研究》. 低温与超导. 2014年03期3 杨灿.《基于FPGA的全自动等精度频率计设计》. 电子世界. 2012.9. 4 胡文静，张国云，刘翔.《基于FPGA的数字频率计设计》. 电子技术应用. 2012年01期5 张芹，江新道.《基于FPGA的数字频率计设计》. 电脑编程技巧与维护. 2014年 第14期 6 雷永惠,付宝成,房建东.《用 FPGA 实现自动换量程数字频率计》. 内蒙古科技与经济. Vol 7(161) 2008.4.7 包本刚， 何怡刚， 谭永宏. 《基于FPGA的全同步数字频率计的设计与实现》. 测试技术学报.2008.2.8 阎石.数字电子技术基础（第四版）.北京：高等教育出版社，2003 9 张明. Verilog HDL实用教程 电子科技大学出版社 1999年 10 Donald E.Thomas,Philip R.Moorby.《硬件描述语言Verilog》 刘明业,蒋敬旗,刁岚松等译.清华大学出版社, 2004.2.第四版11 LCM 1602用户手册
5. 计划与进度安排
1． 第1 2周 查找、整理资料，撰写开题报告
2． 第3 4周 学习verilog hdl语言，lcd模块接口协议等。
3. 第5 6周 设计频率测量电路模块。
