2024年4月13日发(作者：薛夏青)
基于FPGA的数字频率计
1前言
数字频率计是一种基本的测量仪器，是用数字显示被测信号频率的仪器，被测信号
可以是正弦波，方波或其它周期性变化的信号。如配以适当的传感器，可以对多种物理
量进行测试，比如机械振动的频率，转速，声音的频率以及产品的计件等等。 因此，它
被广泛应用与航天、电子、测控等领域。它的基本测量原理是，首先让被测信号与标准
信号一起通过一个闸门，然后用计数器计数信号脉冲的个数，把标准时间内的计数的结
果，用锁存器锁存起来，最后用显示译码器，把锁存的结果用液晶显示器显示出来。根
据数字频率计的基本原理，本文设计方案的基本思想是分为四个模块来实现其功能，即
整个数字频率计系统分为分频模块、计数模块、锁存器模块和显示模块等几个单元，并
且分别用VHDL对其进行编程，实现了闸门控制信号、计数电路、锁存电路、显示电路
等。而且，本设计方案还要求，被测输入信号的频率范围自动切换量程，控制小数点显
示位置，并以十进制形式显示。本文详细论述了利用VHDL硬件描述语言设计，并在EDA
（电子设计自动化）工具的帮助下，用大规模可编程器件（CPLD）实现数字频率计的设
计原理及相关程序。特点是：无论底层还是顶层文件均用Verilog HDL语言编写，避免
了用电路图设计时所引起的毛刺现象；改变了以往数字电路小规模多器件组合的设计方
法。整个频率计设计在一块CPLD芯片上，与用其他方法做成的频率计相比，体积更小，
性能更可靠。该设计方案对其中部分元件进行编程，实现了闸门控制信号 、多路选择电
路、计数电路、位选电路、段选电路等。频率计的测频范围：0~100MHz。该设计方案通
过了Quartus Ⅱ软件仿真、硬件调试和软硬件综合测试。
第 1 页
2 总体方案设计
2.1方案比较：
方案一：本方案是利用电路的频率响应特性来测量频率值。任何具有适当频率响应特性
的可调无源网络都可用来测量频率值。
测频方法：谐振测频法:利用谐振回路测量高频（微波）信号的频率值（图2.1.2）。
调节C使回路在被测频率值上谐振,此时,可得到被测频率值fx
图2.2 谐振法测频工作原理图
显示方法:
CPLD直接输出控制显示 ，
本设计采用双色（红色和绿色）8*8LED
点阵作为终端显示器件，在CPLD 的ROM 数据控 制下，8*8LED 点阵的每个像素点
能产生红色、绿色、$（红绿混合色），能够再现颜色 的多样化。由于一般的I/O 的驱
动能力是有限的，CPLD 中的ROM 输出的显示数据需要经过驱动电 路后送至8*8LED
点阵的行选端（阳极），列选线（阴极）则受74HC138 输出的低电平译码信号的控制
。
方案二
测频方法：
CPLD测频：
CPLD作为一种新型的可编程逻辑器件，具有集成度高、
逻辑电路设计方便灵活、可靠性好、工作速度快等特点，
显示方法：由单片机产生控制时序，通过总线送给CPLD再显示
2.2方案论证：
第 2 页
2024年4月13日发(作者：薛夏青)
基于FPGA的数字频率计
1前言
数字频率计是一种基本的测量仪器，是用数字显示被测信号频率的仪器，被测信号
可以是正弦波，方波或其它周期性变化的信号。如配以适当的传感器，可以对多种物理
量进行测试，比如机械振动的频率，转速，声音的频率以及产品的计件等等。 因此，它
被广泛应用与航天、电子、测控等领域。它的基本测量原理是，首先让被测信号与标准
信号一起通过一个闸门，然后用计数器计数信号脉冲的个数，把标准时间内的计数的结
果，用锁存器锁存起来，最后用显示译码器，把锁存的结果用液晶显示器显示出来。根
据数字频率计的基本原理，本文设计方案的基本思想是分为四个模块来实现其功能，即
整个数字频率计系统分为分频模块、计数模块、锁存器模块和显示模块等几个单元，并
且分别用VHDL对其进行编程，实现了闸门控制信号、计数电路、锁存电路、显示电路
等。而且，本设计方案还要求，被测输入信号的频率范围自动切换量程，控制小数点显
示位置，并以十进制形式显示。本文详细论述了利用VHDL硬件描述语言设计，并在EDA
（电子设计自动化）工具的帮助下，用大规模可编程器件（CPLD）实现数字频率计的设
计原理及相关程序。特点是：无论底层还是顶层文件均用Verilog HDL语言编写，避免
了用电路图设计时所引起的毛刺现象；改变了以往数字电路小规模多器件组合的设计方
法。整个频率计设计在一块CPLD芯片上，与用其他方法做成的频率计相比，体积更小，
性能更可靠。该设计方案对其中部分元件进行编程，实现了闸门控制信号 、多路选择电
路、计数电路、位选电路、段选电路等。频率计的测频范围：0~100MHz。该设计方案通
过了Quartus Ⅱ软件仿真、硬件调试和软硬件综合测试。
第 1 页
2 总体方案设计
2.1方案比较：
方案一：本方案是利用电路的频率响应特性来测量频率值。任何具有适当频率响应特性
的可调无源网络都可用来测量频率值。
测频方法：谐振测频法:利用谐振回路测量高频（微波）信号的频率值（图2.1.2）。
调节C使回路在被测频率值上谐振,此时,可得到被测频率值fx
图2.2 谐振法测频工作原理图
显示方法:
CPLD直接输出控制显示 ，
本设计采用双色（红色和绿色）8*8LED
点阵作为终端显示器件，在CPLD 的ROM 数据控 制下，8*8LED 点阵的每个像素点
能产生红色、绿色、$（红绿混合色），能够再现颜色 的多样化。由于一般的I/O 的驱
动能力是有限的，CPLD 中的ROM 输出的显示数据需要经过驱动电 路后送至8*8LED
点阵的行选端（阳极），列选线（阴极）则受74HC138 输出的低电平译码信号的控制
。
方案二
测频方法：
CPLD测频：
CPLD作为一种新型的可编程逻辑器件，具有集成度高、
逻辑电路设计方便灵活、可靠性好、工作速度快等特点，
显示方法：由单片机产生控制时序，通过总线送给CPLD再显示
2.2方案论证：
第 2 页