在电子工程，资源勘探，仪器仪表等相关应用中，频率计是工程技术人员必不可少的测量工具。频率测量也是电子测量技术中最基本最常见的测量。不少物理量的测量，如转速、振动频率等的测量都涉及到或可以转化为频率的测量。目前，市场上有各种多功能、高精度、高频率的数字频率计，但价格不菲。为适应实际工作的需要，本文在简述频率测量的基本原理和方法的基础上，提供基于FPGA的数字频率计的设计和实现过程，本方案不但切实可行，而且具有成本低廉、小巧轻便、便于携带等特点。
数字频率计是直接用十进制数字来显示被测信号频率的测量装置。不仅可以测量正弦波、方波、三角波和尖脉冲信号的频率。而且还可以测量周期。数字频率计在测量其物理量如转速、振动频率等方面也获得应用。
1.1 数字频率的测频原理和方法
众所周知，所谓“频率”就是周期性信号在单位时间（1s）内变化的次数。若在一定时间间隔T内测得这个周期性信号的重复变化次数N，则其频率可衰示为f=N/T 。
数字频率计测频率的原理框图可示如图1（a）。其中脉冲形成电路的作用是：将被测信号变成脉冲信号，其重复频率等于被测频率fx。时间基准信号发生器提供标准的时间脉冲信号、若其周期为1s。则门控电路的输出信号持续时间亦准确地等于1s。闸门电路由标准秒信号进行控制，当秒信号来到时，闸门开通。被测脉冲信号通过闸门送到计数译码显示电路。秒信号结束时闸门关闭，计数器停止计数，各点的波形如图1（b）所示。由于计数器计得的脉冲数N是在1秒时间内的累计数 所以被测频率fx=NHz。
目前，有三种常用的数字频率测量方法：直接测量法（以下称M法）、周期测量法（以下称T法）和综合测量法（以下称M/T法）。M法是在给定的闸门时间内测量被测信号的脉冲个数，进行换算得出被测信号的频率。T法是通过测量被测信号一个周期时间计时信号的脉冲个数，然后换算出被测信号的频率。这两种测量法的精度都与被测信号有关，因而属于非等精度测量法。而M/T法设实际闸门时间为t，被测信号周期数为Nx，则通过测量被测信号数个周期的时间，然后换算得出被测信号的频率，克服了测量精度对被测信号的依赖性。M/T法的核心思想是通过闸门信号与被测信号同步，将闸门时间t控制为被测信号周期长度的整数倍。测量时，先打开预置闸门，当检测到被测闸门关闭时，标准信号并不立即停止计数，而是等检测到的被测信号脉冲到达是才停止，完成被测信号的整数个周期的测量。测量的实际闸门时间与预置闸门时间可能不完全相同，但最大差值不超过被测信号的一个周期。
1.2 系统的硬件框架设计
本系统由脉冲输入电路、整形电路、核心控制电路（由FPGA构成）和输出显示电路组成，如图2所示。
控制的核心芯片是FPGA，由两大功能模块组成：（1）频率计数模块，包含两个部分，选通时间控制部分，可改变选通时间;计数部分，根据选通时间的长短对被测信号正脉冲进行计数;（2）扫描显示模块，对计数的结果进行扫描显示，从而完成整个测频率的过程。外围的电路相对简单，只有信号输入整形电路和数码管显示电路。
系统的工作原理是，被测信号经整形生成矩形波输入到控制核心芯片FPGA的计数模块，计数模块根据所提供的矩形波上升沿计数，计数时间则由选通时间控制部分决定，根据频率所处的范围来决定档位;将计数的结果给显示电路，通过扫描，在数码管上显示频率的大小。
整形电路是将待测信号整形变成计数器所要求的脉冲信号。电路形式采用由555定时器所构成的施密特触发器。若待测信号为正弦波，输入整形电路，设置分析为瞬态分析，启动电路，其输入、输出波形如图1（b）所示。由图可见输出为方波，二者频率相同，频率计测得方波的频率即为正弦波的频率。
2.1 EDA技术和VHDL语言的特点
EDA（电子设计自动化）代表了当今电子设计技术的最新发展方向，基本特征是：设计人员按照“自顶向下”（Top Down）的设计方法，对整个系统进行方案设计和功能划分，系统的关键电路用一片或几片专用集成电路（ASIC）实现，然后采用硬件描述语言（HDL）完成系统行为级设计，最后通过综合器和适配器生成最终目标器件。FPGA可以通过软件编程对目标器件的结构和工作方式进行重构，能随时对设计进行调整，具有集成度高、结构灵活、开发周期短、快速可靠性高等特点，数字设计在其中快速发展，应用这种技术可使设计过程大大简化。VHDL语言最大的特点是描述能力极强，可以覆盖逻辑设计的诸多领域和层次，并支持众多的硬件模型。其特点包括：
（1）设计技术齐全，方法灵活，支持;
（2）系统硬件描述能力强;
（3）VHDL语言可以与工艺无关地进行编程;
（4）VHDL语言标准、规范，易于共享和重用。
2.2 系统设计
设计采用实验教学中常用的altera公司的FLEX10K10系列芯片，该芯片的反应时间可达ns级，频率计的测频范围可为1Hz～999MHz。系统在兼顾测量精度和测量反应时间的基础上，实现了量程的自动转换，测量可以全自动地进行。其控制和逻辑电路是基于quartus II和VHDL语言进行设计，外部电路相当简单。图3是本设计的顶层示意图。设计主要由分频模块、控制模块、锁存模块等共七个模块组成。脉冲信号由fsin引脚输入到cntrl模块，由clr引脚和fdiv输出信号q共同决定fsin的有效性，并由cntd实现自适应控制，当fsin的频率高出或低于某个量程，cntrl模块会根据具体的值选择相应合适的量程（本设计共有分为1~9999Hz、10~99.99kHz、100~999.9kHz、1M~999M等四个量程）。再经由lock锁存之后，由dspnum选择具体的通路，由dspsel和disp实现动态扫描显示，扫描显示模块有dspsel控制七段数码管的片选信号，间锁存保存的BCD码数据动态扫描译码，以十进制形式显示。以上的各功能模块都是在FLEX10K10中，用VHDL予以实现的，较之以往的传统型电路更为简单，更易于实现频率计的小型化、微型化甚至芯片化设计。
顶层示意图中的各模块用VHDL语言生成后，再生成图3所示的示意图，经编译链接之后就可以下载到系统中。再在外部扩展信号采集和相应的数码显示电路，就可以完成一个相对简单的数字频率计。图4是系统的整体框图。
信号从被测信号输入处输入到波形整形电路后，经过FPGA算法处理，再由数字显示部分输出。在数字显示部分根据不同的档位，可以把相应的单位加入即可，人一档时单位为Hz，二档时为kHz，其余类推。
在硬件电路设计时，应注意FPGA的接口部分，包括电平转换、标准CPU接口等等。比如FPGA器件的I/O电压不能达到TTL电平，则需要添加必要的电平转换芯片，即通常指的Transceiver。又如，驱动LED等功能的需要是经常遇到的，但FPGA器件的驱动能力不一定能够满足需要，因此提供驱动能力也是设计时需要考虑的问题。时钟设计是FPGA设计的核心问题，时钟系统的不稳定和不合理，往往不能有着器件的全部功能和潜力，严重时还会导致系统失败。对于多时钟、多速率系统，如何做到全局同步设计、保证时延特性、达到设计速率等，对系统成功都是极为关键的。
本文在介绍了频率计的基本原理的基础上，阐述了如何基于FPGA设计和实现自适应频率计的设计，并且给出了完整的设计过程，以及针对设计中应该注意的问题加以说明。其外，如果使用更高频率的FPGA芯片，频率计的量程上限可以进一步的提高。
