EDA简易数字频率计设计.doc

1、唐 山 学 院 EDA课 程 设 计 题 目 简易数字频率计设计 系 (部) 信息工程系 班 级 12自动化 姓 名 陈帅 学 号 4120219124 指导教师 郭耀华 2014 年12月 21日 至 12 月 26 日 共 1 周2014年 12 月 26 日目 录1 引言12 实验2 2.1 实验原理22.1.1基本原理32.1.2原理框图3 2.2各模块程序的设计32.2.1分频定时模块的设计32.2.2待测信号计数模块的设计42.2.3显示编译模块的设计82.2.4顶层模块的设计12 .2.2.5 封装图152.2.6.引脚锁定154 结论17参考文献18附 录192课程设计说明书1 引言数字频率计是通讯设备、计算机、电子产品等生产领域不可缺少的测量仪器。由于硬件设计的器件增加，使设计更加复杂，可靠性变差，延迟增加，测量误差变大。通过使用EDA技术对系统功能进行描述，运用VHDL语言，使系统简化，提高整体的性能和可靠性。采用VHDL编程设计的数字频率计，除了被测信号的整形部分，键输入和数码显示以外，其他都在一片FPGA上实现，从而让整个系统非常精简，让其具有灵活的现场更改性，

2、在不改变硬件电路的基础上，进一步改进提高系统的性能，使数字频率计具有高速，精确度高，可靠性强，抗干扰等优点，为数字系统进一步的集成创造了条件。传统的硬件设计采用自下至上(bottom_up)的设计方法。这种设计方法在系统设计的后期进行仿真和调试,一旦考虑不周,系统设计存在较大缺陷,就有可能要重新设计系统,使设计周期大大增加。现代硬件设计利用电子设计自动化(EDA)技术,采用并行工程和自上至下(top_down)的设计方法,从系统设计入手,在顶层进行功能方框图的划分和结构设计,在方框图一级进行仿真和纠错,并用vhdl等硬件描述语言对高层次的系统行为进行描述,在系统一级进行验证,最后再用逻辑综合优化工具生成具体的门级逻辑电路的网表,其对应的物理实现是专用集成电路(ASIC)。Vhdl即超高速集成电路硬件描述语言,主要用于描述数字系统的结构、行为、功能和接口。vhdl对设计的描述具有相对独立性,因此设计者可以不懂硬件结构,降低了硬件电路设计难度。以4位十进制数字频率计的设计来说明vhdl语言在现代硬件设计中的应用。信号频率计的测量有测频法和周期测量法。本文采用测频法,即直接计算每秒钟内信号脉

3、冲的个数。2 实验2.1 简易数字频率计设计原理 设计内容：（1）设计四位十进制的简易数字频率计，对1HZ-10MHZ的方波信号进行测量；（2）测量的方波频率值要在4位数码管上进行显示；（3）根据不同的待测方波信号，频率计分为4个量程进行测量，四个量程分别为乘 1乘10，乘100，乘1000量程。 （4）此频率计要设有一个整体复位控制；2.1.1基本原理数字频率计的主要功能是测量周期信号的频率。频率计的基本原理是用一个频率稳定度高的频率源作为基准时钟，对比测量其他信号的频率。频率是单位时间（1秒）内方波信号发生周期变化的次数。在给定的1秒时间内对方波信号波形计数，并将所计数值显示出来，就能读取被测信号的频率。数字频率计首先必须获得相对稳定与准确的时间，然后通过计数器计算这一段时间间隔内的方波脉冲个数并显示出来。这就是数字频率计的基本原理。脉冲信号的频率就是在单位时间内所产生的脉冲个数，其表达式为fNT，其中f为被测信号的频率，N为计数器所累计的脉冲个数，T为产生N个脉冲所需的时间。本设计要求基准时钟的频率为1HZ，所以需要分频设计产生脉宽为1秒的脉冲。再利用这个脉宽为1秒的脉冲计数，计

4、数器所记录的结果，就是被测信号的频率。因为待测方波信号的频率在1HZ-10MHZ，所以仅用四位7段数码管无法完全正确显示，所以需要选择恰当的量程来显示待测风波信号的频率，当量程选择不当或者频率超出10MHZ时，用一个LED灯点亮来警告测量有错误。2.1.2原理框图本设计要求用基准时钟信号（f=1HZ）的控制完成对1HZ-10MHZ的方波信号进行测量，使得所测量的方波频率值在4位7段数码管上进行显示，并根据不同的待测方波信号，将频率计分为4个量程进行测量，四个量程分别为乘1，乘10，乘100，乘1000量程，量程的选择分为手动和自动两种。当手动选择量程时，自动量程显示为零，手动量程部分依手动所选量程而定；当手动选择信号不工作时，频率计自动选择比较合适的量程进行显示，手动量程部分显示为零。而且此频率计具有记忆功能，在测量过程中不刷新数据，等数据测量过程结束后才显示测量值，显示测量的频率值，并保存到下一次测量结束。数字频率计还有一个整体的异步清零端，随时可以进行清零操作。此外，数字频率计还有一个不能正确显示待测方波信号频率时的警告灯。数字频率计通过测频控制发生器将基准信号转换成所需要的控制信

5、号clk1和en，待测信号计数器在en的控制下对待测信号进行测量并通过锁存器在clk1的控制下按要求进行显示，数字频率计包括测频控制发生器ctr、待测信号计数器counter、锁存器regist三个功能模块，其原理框图如图所示。b测频控制发生器待测信号计数器锁存器d(27:0)sel(3:0)a(3:0)clkrstrstclkclk1enclkinrstclkinenba(3:0)rstclk1d(27:0)sel(3:0)zd(3:0)zd(3:0)sd(3:0)sd(3:0)q1(3:0)q1(3:0)q2(3:0)q2(3:0)q3(3:0)q3(3:0)q4(3:0)q4(3:0)其中a是手动选择量程输入端，sd代表手动量程的显示，rst是整体异步清零输入端，clk是频率为1HZ的基准时钟，clkin是待测的方波信号，b是显示是否超出了频率计的测量范围，zd是在手动选择量程不工作时频率计进行的自动选择合适的量程显示，q1q4是四位数值从高位到低位的显示结果。2.2 各模块程序及仿真此设计运用元件例化的方法进行功能的实现，所以各个模块即使相互独立又是彼此联系的，三个模块共同完成

6、方波信号的测量。2.2.1测频控制发生器ctr模块的设计本设计要求为该模块ctr提供的基准信号频率为1 HZ，所以要做一个2分频器控制产生一个脉宽为1秒的周期信号en和一个锁存信号clk1。rst为高电平时进行整体异步清零。当en处于高电平的时候对输入的待测方波信号进行计数测量，当en处于低电平的时候停止计数，并保持所计数值。当clk1是上升沿的时候将所保持的数值输出显示。此测频控制发生器的程序如下：library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;use ieee.std_logic_arith.all;entity ctr isport(clk,rst: in std_logic; clk1,en: buffer std_logic);end ctr;architecture bhv of ctr isbeginprocess(clk,rst)variable c:integer range 0 to 2beginif rst=1 thenen=0;elsif clkevent and

7、clk=1 thenc:=c+1;if c=1 thenc:=0;en=not en;end if;end if;clk1=not(clk or en);end process;end bhv;此测频控制发生器的仿真结果如图所示。此模块如果仿真12M分频器很困难，为了看到仿真效果，改成20倍分频器，得到了此仿真结果。如果按程序下载，在硬件上能很清楚的看到由6MHZ的基准信号得到了脉宽为1秒的控制信号en和控制输出信号clk1，rst实现了整体异步清零的功能。2.2.2待测信号计数器counter模块的设计该模块通过ctr模块所产生的脉宽为1秒的en信号来对待测信号进行计数。用28位二进制数d进行对待测信号的计数，同时用sel表示自动量程根据所得数值d变化，sel为“0001”时代表乘1，sel为“0010”时代表乘10，sel为“0100”时代表乘100，sel为“1000”时代表乘1000。如果测量选择量程太小或者待测方波信号频率超出10MHZ，均无法正确显示测量结果，则将b置高电平进行警告。此待测信号计数器的程序如下：library ieee;use ieee.std_logic_

8、1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;use ieee.std_logic_arith.all;entity counter isport(en,clkin,rst:in std_logic;a:in std_logic_vector(3 downto 0);sel:out std_logic_vector(3 downto 0);d :out std_logic_vector(27 downto 0);b:out std_logic);end counter;architecture bhv of counter issignal dd: std_logic_vector(27 downto 0);beginprocess(rst,en,clkin)beginif rst=1 thendd0);b=0;elsif en=1 then if clkinevent and clkin=1 thenif dd(27 downto 0)=1001100110011001100110011001 thendd0); b=1;elsif dd(23 downto 0)=100110011001100110011001 then dd=dd+011001100110011001100111;elsif dd(19 downto 0)=10011001100110011001 thendd=dd+01100110011001100111;elsif dd(15 downto 0)=1001100110011001 thendd=dd+0110011001100111;elsif dd(11 downto 0)=100110011001 then

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