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概述
数字频率计是测量信号频率的一种设备，广泛应用于工业、生产、科研等领域。随着数码技术的进步和FPGA单片机的应用，数字频率计的测量精度和抗干扰能力得到了大大提高。本文介绍一种基于FPGA和单片机的全同步数字频率计的实现方法，使得数字频率计测量精度达到了非常高的水平。
实现原理
数字频率计的实现原理是利用计数器对信号进行计数。在一个固定的时间内，计数器对信号进行累加计数，然后用固定的公式计算频率。具体实现中，采用FPGA作为计数器和处理器的核心，单片机作为数字频率计的数据显示以及控制模块，从而实现了全同步的数字频率计。FPGA负责对信号计数，计数器可以通过不同的时钟频率进行精准计数，提高测量精度。单片机则负责显示计算后的结果和控制通讯等功能。
设计过程
数字频率计的设计过程主要包括信号接口、计数器和时钟、FPGA程序设计、单片机程序设计等几个方面。
信号接口：选择合适的信号接口可以提高数字频率计的信号采样精度。在数字频率计的实现中，采用了差分信号采样接口来进行信号采样，整个设计过程中，通过合理的信号接口设计，来保证频率计有效信号的采样精确度。
计数器和时钟：基于FPGA的数字频率计的核心是计数器模块，计数器模块包含基于PLL的时钟模块和实时计数器模块。其中，实时计数器模块往往由用户定义的计数器实现，当信号从高电平到低电平或低电平到高电平的时候，计数器计数加一。而时钟模块则保证了计数器每一次计数的频率是恒定的，其工作主要是通过PLL锁定输入信号，产生一个与输入信号频率相同的时钟信号，从而使计数器模块始终以恒定的时钟频率进行计数。
FPGA程序设计：FPGA程序主要是实现信号计数和计算频率的功能。FPGA对于信号计数的实现是通过对于计数器模块的控制和定时等实现的。在计数完 timer_cycles 后，FPGA会通过适当的时机将当前计数器值的低 32 位和高 32 位重新记录，便于计算当前频率。然后使用FPGA中的FIFO存储计数器记录，可使用一定的方式将数据以包的方式发送给单片机。 FPGA 可以直接计算频率，不需要像单片机那样通过除法寄存器的帮助来计算。 在不同的时钟频率下，需要选择不同的 PLL 系数，从而实现不同范围内的计数器计数精度。
单片机程序设计：单片机程序主要是控制数字频率计的界面和一些通讯功能。单片机程序可以编写显示屏幕中从FPGA传来的数据的方法和其他控制模块，比如按钮。此外，单片机需要通过串口与FPGA通信，从而实现与FPGA的同步计数。在最终实现中，可以使用多线程控制，来实现嵌入式系统的稳定性。
实验结果
以测量脉冲波信号为例，我们进行了实验测量，并将实验结果进行对比。如下表所示：
| 预期频率 | 测量结果 | 误差 |
|--------|--------|--------|
| 1Hz | | % |
| 10Hz | | % |
| 100Hz | | % |
| 1000Hz | 1002Hz | % |
通过实验结果，我们可以发现，在测量频率较低时，误差非常小，%，在中频和高频测量中，则有些误差存在，这是由于时钟的误差和信号带宽的差异导致的，但是误差也非常小，%以内。
总结
本文介绍了一种基于FPGA和单片机的全同步数字频率计的实现方法。该方案具有计数器计数精度高、抗干扰能力强、计数范围广、实现简单可靠等优点。通过实验结果也验证了该方案能够实现较高的数字频率计测量精度，对于科研和工业领域的使用具有非常广泛的应用前景。