畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-基于VHDL的頻率計(jì)設(shè)計(jì).doc

本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）題 目： 基于的頻率計(jì)設(shè)計(jì) 專業(yè)代碼： 作者姓名： 學(xué) 號(hào)： 單 位： 物理科學(xué)與信息工程學(xué)院 指導(dǎo)教師： 目錄 引 言11 EDA 技術(shù)發(fā)展概況11.1 VHDL 軟件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介11.2 VHDL的開(kāi)發(fā)流程31.3 MAX+PLUS 開(kāi)發(fā)工具概述42設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)52.1數(shù)字頻率計(jì)概述52.2數(shù)字頻率計(jì)的基本設(shè)計(jì)原理72.3測(cè)頻專用模塊功能描述及VHDL程序102.3.1基準(zhǔn)脈沖信號(hào)產(chǎn)生模塊102.3.2 測(cè)頻時(shí)序控制電路模塊132.3.3計(jì)數(shù)模塊152.3.4鎖存器模塊182.3.5七段顯示譯碼器202.3.6動(dòng)態(tài)掃描顯示模塊222.3.7頂層文件設(shè)計(jì)253總結(jié)274致謝285參考文獻(xiàn)296附錄30聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）摘 要 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)超大規(guī)模集成電路EDA(Electronics Design Automation)技術(shù)的發(fā)展和可編程邏輯器件的廣泛應(yīng)用，傳統(tǒng)的自下而上的數(shù)字電路設(shè)計(jì)方法、工具器件已遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于當(dāng)今信息技術(shù)的發(fā)展?；贓DA技術(shù)和硬件描述語(yǔ)言的自上而下的設(shè)計(jì)技術(shù)正在承擔(dān)起越來(lái)越多的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)。在電子技術(shù)中，頻率是最基本的參數(shù)之一，并且與許多電參量的測(cè)量方案、測(cè)量結(jié)果都有十分密切的關(guān)系，因此頻率的測(cè)量就顯得更為重要。測(cè)量頻率的方法有多種，其中電子計(jì)數(shù)器測(cè)量頻率具有精度高、使用方便、測(cè)量迅速，以及便于實(shí)現(xiàn)測(cè)量過(guò)程自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，是頻率測(cè)量的重要手段之一。電子計(jì)數(shù)器測(cè)頻有兩種方式：一是直接測(cè)頻法，即在一定閘門(mén)時(shí)間內(nèi)測(cè)量被測(cè)信號(hào)的脈沖個(gè)數(shù)；二是間接測(cè)頻法，如周期測(cè)頻法。直接測(cè)頻法適用于高頻信號(hào)的頻率測(cè)量，間接測(cè)頻法適用于低頻信號(hào)的頻率測(cè)量。本論文采用自上向下的設(shè)計(jì)方法，基于VHDL硬件描述語(yǔ)言設(shè)計(jì)了一種數(shù)字頻率計(jì)，并在Max+plus平臺(tái)上進(jìn)行了仿真。 關(guān)鍵詞：EDA；VHDL；數(shù)字頻率計(jì)；CPLDAbstract With the development of computer,VHDL and EDA and the application of programmable logic devices,the traditional bottom-up design method, tools and devices have been far behind the development of information technology. The top-down design method based on the EDA technology and VHDL is used to design the digital system. Be one of the most fundamental parameter in electron technology medium frequency, parameter measurement scheme, measurement result all have very close something to do with a lot of electricity and, the frequency measurement looks like being more important therefore right away. The method measuring frequency has various, among them the electronic counter measures frequency having accuracy height, usage is convenient, measurement is prompt, easy to realize measurement process automation waits for merit and, counter measures frequency having two kinds way: sure frequency law first directly ,be to measure the pulse number the signal is measured within certain sluice gate time; Two is indirect measure frequency law, if the period measures frequency law, Measure frequency law directly applying to the high frequency signals.In this paper,a digital cymometer is designed using the top-down method based on VHDL and then simulated on Max+plusplatform. Key words：EDA;VHDL;Digital Frequency Count;CPLD 3基于VHDL 的頻率計(jì)設(shè)計(jì)引 言 頻率是電子測(cè)量中一個(gè)最為基本的參量，在信號(hào)發(fā)生器以及振蕩器、各種倍頻和分頻電路的輸出信號(hào)中，都要進(jìn)行頻率的測(cè)量。作為用十進(jìn)制數(shù)字顯示被測(cè)信號(hào)頻率的數(shù)字頻率計(jì)，是計(jì)算機(jī)、通訊設(shè)備、音頻視頻等科研生產(chǎn)領(lǐng)域不可缺少的電子測(cè)量?jī)x器。與傳統(tǒng)的頻率計(jì)相比，數(shù)字頻率計(jì)具有精度高、測(cè)量范圍大、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)的數(shù)字頻率計(jì)是由中大規(guī)模集成電路構(gòu)成，但這類頻率計(jì)會(huì)產(chǎn)生比較大的延時(shí)，測(cè)量范圍較小，精度不高，可靠性差且電路復(fù)雜。隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，可以將整個(gè)系統(tǒng)集成到一個(gè)塊上，實(shí)現(xiàn)所謂的片上系（SOC）。片上系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)將大大減小系統(tǒng)的體積，降低系統(tǒng)的成本，提高系統(tǒng)的處理速度和可靠性。隨著可編程邏輯器件（CPLD）的廣泛應(yīng)用，以EDA工具為開(kāi)發(fā)平臺(tái),利用VHDL（Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language）工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)硬件描述語(yǔ)言，采用自頂向下（Top to Down）和基于庫(kù)（Library-based的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)者不但可以不必了解硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，而且將使系統(tǒng)大大簡(jiǎn)化。提高整體的性能和可靠性。本文用VHDL在CPLD器件上實(shí)現(xiàn)一種能夠用十進(jìn)制數(shù)碼管顯示被測(cè)信號(hào)的頻率數(shù)字頻率計(jì)測(cè)頻系統(tǒng)，它不僅能測(cè)量頻率，還測(cè)量其他多種物理量，具有體積小、可靠性高、功耗低的特點(diǎn)。 1 EDA 技術(shù)發(fā)展概況 1.1 VHDL 軟件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介 VHDL全名Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language ，VHDL語(yǔ)言是一種在80年代的后期出現(xiàn)用于電路設(shè)計(jì)的高級(jí)語(yǔ)言,最初是由美國(guó)國(guó)防部開(kāi)發(fā)出來(lái)供美軍用來(lái)提高設(shè)計(jì)的可靠性和縮減開(kāi)發(fā)周期的一種使用范圍較小的設(shè)計(jì)語(yǔ)言。VHDL翻譯成中文就是超高速集成電路硬件描述語(yǔ)言，主要是應(yīng)用在數(shù)字電路的設(shè)計(jì)中。目前，它在中國(guó)的應(yīng)用多數(shù)是用FPGA/CPLD/EPLD的設(shè)計(jì)中。當(dāng)然在一些實(shí)力較為雄厚的單位，它也被用來(lái)設(shè)計(jì)ASIC。 VHDL主要用于描述數(shù)字系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、行為、功能和接口。除了含有許多具有硬件特征的語(yǔ)句外，VHDL的語(yǔ)言形式、描述風(fēng)格以及語(yǔ)法是十分類似于一般的計(jì)算機(jī)高級(jí)語(yǔ)言。VHDL的程序結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是將一項(xiàng)工程設(shè)計(jì)，或稱設(shè)計(jì)實(shí)體（可以是一個(gè)元件，一個(gè)電路模塊或一個(gè)系統(tǒng)）分成外部（或稱可視部分,及端口)和內(nèi)部（或稱不可視部分），既涉及實(shí)體的內(nèi)部功能和算法完成部分。在對(duì)一個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)體定義了外部界面后，一旦其內(nèi)部開(kāi)發(fā)完成后，其他的設(shè)計(jì)就可以直接調(diào)用這個(gè)實(shí)體。這種將設(shè)計(jì)實(shí)體分成內(nèi)外部分的概念是VHDL系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本點(diǎn)。系統(tǒng)電路的軟件設(shè)計(jì)可采用工具軟件Maxplus II,Maxplus II 作為Altera的上一代PLD設(shè)計(jì)軟件，由于其出色的易用性而得到了廣泛的應(yīng)用。目前Altera已經(jīng)停止了對(duì)Maxplus II 的更新支持，Quartus II 與之相比不僅僅是支持器件類型的豐富和圖形界面的改變。Altera在Quartus II 中包含了許多諸如SignalTap II、Chip Editor和RTL Viewer的設(shè)計(jì)輔助工具，集成了SOPC和HardCopy設(shè)計(jì)流程，并且繼承了Maxplus II 友好的圖形界面及簡(jiǎn)便的使用方法。用該工具軟件所支持的語(yǔ)言-硬件描述語(yǔ)言VHDL，以文本的方式進(jìn)行編程輸入。在編程時(shí)分別對(duì)控制、計(jì)數(shù)、鎖存、譯碼、動(dòng)態(tài)掃描等電路模塊進(jìn)行VHDL文本描述, 使每個(gè)電路模塊以及器件都以文本的形式出現(xiàn)，然后通過(guò)編譯、波形仿真、調(diào)試來(lái)完善每個(gè)器件的功能。單個(gè)器件制作完成后，然后將它們生成庫(kù)文件，并產(chǎn)生相應(yīng)的符號(hào)，最后用語(yǔ)言將各個(gè)已生成庫(kù)文件的器件的各個(gè)端口連接在一起，從而形成了系統(tǒng)主電路的軟件結(jié)構(gòu)。在連接器件時(shí)，也可以采用圖形輸入方式，即在圖形輸入界面中調(diào)出先制作好的庫(kù)文件器件符號(hào)，再將每個(gè)器件符號(hào)的各個(gè)端口直接連線，從而構(gòu)成系統(tǒng)主電路。在上述工作的基礎(chǔ)上，在進(jìn)行波形分析，仿真調(diào)試便完成整個(gè)軟件設(shè)計(jì)。 VHDL語(yǔ)言優(yōu)勢(shì)：（1）與其他的硬件描述語(yǔ)言相比，VHDL具有更強(qiáng)的行為描述能力，從而決 定了他成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域最佳的硬件描述語(yǔ)言。強(qiáng)大的行為描述能力是避開(kāi)具體的器件結(jié)構(gòu)，從邏輯行為上描述和設(shè)計(jì)大規(guī)模電子系統(tǒng)的重要保證。 （2）VHDL豐富的仿真語(yǔ)句和庫(kù)函數(shù)，使得在任何大系統(tǒng)的設(shè)計(jì)早期就能查驗(yàn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的功能可行性，隨時(shí)可對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真模擬。 （3）VHDL語(yǔ)句的行為描述能力和程序結(jié)構(gòu)決定了他具有支持大規(guī)模設(shè)計(jì)的分解和已有設(shè)計(jì)的再利用功能。符合市場(chǎng)需求的大規(guī)模系統(tǒng)高效，高速的完成必須有多人甚至多個(gè)代發(fā)組共同并行工作才能實(shí)現(xiàn)。 （4）對(duì)于用VHDL完成的一個(gè)確定的設(shè)計(jì),可以利用EDA工具進(jìn)行邏輯綜合和優(yōu)化，并自動(dòng)的把VHDL描述設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變成門(mén)級(jí)網(wǎng)表。 （5）VHDL對(duì)設(shè)計(jì)的描述具有相對(duì)獨(dú)立性，設(shè)計(jì)者可以不懂硬件的結(jié)構(gòu)，也不必管理最終設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)器件是什么，而進(jìn)行獨(dú)立的設(shè)計(jì)。1.2 VHDL的開(kāi)發(fā)流程 VHDL作為一種標(biāo)準(zhǔn)化的硬件描述語(yǔ)言，在對(duì)硬件電路進(jìn)行描述的過(guò)程中應(yīng)該遵循一定的流程，主要包括以下幾步： 在進(jìn)行硬件電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)之前，首先作出總體設(shè)計(jì)方案；然后給出相應(yīng)的硬件電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)；最后將總體方案中的各個(gè)部分電路設(shè)計(jì)任務(wù)及設(shè)計(jì)要求給相應(yīng)的設(shè)計(jì)部門(mén)。 具體電路功能。接受相應(yīng)的電路設(shè)計(jì)任務(wù)后，首先要對(duì)電路的設(shè)計(jì)任務(wù)和設(shè)計(jì)要求進(jìn)行具體分析，確定設(shè)計(jì)電路所要實(shí)現(xiàn)的具體功能。 劃分模塊、編寫(xiě)程序。利用VHDL設(shè)計(jì)硬件電路通常采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法。這種設(shè)計(jì)方法的總體思路是：首先確定頂層模塊并進(jìn)行頂層模塊的設(shè)計(jì)；然后將頂層模塊中的邏輯功能劃分為不同的功能模塊，再進(jìn)行功能模塊的詳細(xì)設(shè)計(jì)。 VHDL程序模擬。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，往往先采用模擬器(或稱為仿真器)對(duì)VHDL程序進(jìn)行模擬(或稱為仿真)。這樣做的目的是可以在設(shè)計(jì)的早期發(fā)現(xiàn)電路設(shè)計(jì)上的缺陷和錯(cuò)誤，從而節(jié)省電路設(shè)計(jì)的時(shí)間，縮短開(kāi)發(fā)周期。 綜合、優(yōu)化和布局布線。綜合是將電路設(shè)計(jì)的VHDL描述轉(zhuǎn)換成底層電路表示；優(yōu)化是將電路設(shè)計(jì)的時(shí)延縮到最小和有效利用資源；布局布線是將通過(guò)綜合和優(yōu)化所得到的邏輯，安防到一個(gè)邏輯器件之中的過(guò)程。 布局布線后的程序模擬。與VHDL程序模擬不同，只是對(duì)設(shè)計(jì)的邏輯功能進(jìn)行模擬， 生成器件編程文件。生成器件編程文件的作用是將VHDL描述經(jīng)過(guò)模擬、綜合、優(yōu)化和布局布線的結(jié)果，經(jīng)過(guò)一定的映射轉(zhuǎn)換成一個(gè)器件編程所用的數(shù)據(jù)文件格式。 進(jìn)行器件編程。1.3 MAX+PLUS 開(kāi)發(fā)工具概述 MAX+PLUS（Multiple Array and Programming Logic User System）開(kāi)發(fā)工具是Altera公司推出的一種EDA工具，具有靈活高效、使用便捷和易學(xué)易用等特點(diǎn)。Altera公司在推出各種CPLD的同時(shí)，也在不斷地升級(jí)相應(yīng)的開(kāi)發(fā)工具軟件，已從早起的第一代A+PLUS、第二代MAX+PLUS發(fā)展到第三代MAX+PLUS和第四代Quartus。使用MAX+PLUS軟件，設(shè)計(jì)者無(wú)需精通器件內(nèi)部的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，只需用業(yè)已熟悉的設(shè)計(jì)輸入工具，如硬件描述語(yǔ)言、原理圖等進(jìn)行輸入即可，MAX+PLUS就會(huì)自動(dòng)將設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換成目標(biāo)文件下載到器件中去。MAX+PLUS開(kāi)發(fā)系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)： （1） 多平臺(tái)。MAX+PLUS軟件可以在基于PC機(jī)的操作系統(tǒng)如Windows95、Windows98、Windows2000、Windows NT下運(yùn)行，也可以在Sun SPAC station等工作站上運(yùn)行。 （2） 開(kāi)放的界面。MAX+PLUS提供了與其他設(shè)計(jì)輸入、綜合和校驗(yàn)工具的接口，借口符合EDIF 200/300、LPM、VHDL、Verilog-HDL等標(biāo)準(zhǔn)。目前MAX+PLUS所支持的主流第三方EDA工具主要有Synopsys、Viewlogic、Mentor、Graphics、Cadence、OrCAD、Xilinx等公司提供的工具。 （3） 模塊組合式工具軟件。MAX+PLUS具有一個(gè)完整的可編程邏輯設(shè)計(jì)環(huán)境，包括設(shè)計(jì)輸入、設(shè)計(jì)處理、設(shè)計(jì)校驗(yàn)和下載編程4個(gè)模塊，設(shè)計(jì)者可以按設(shè)計(jì)流程選擇工作模塊。 （4） 與結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)。MAX+PLUS開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的核心Compiler(編譯器)能夠自動(dòng)完成邏輯綜合和優(yōu)化，它支持Altera的Classic、MAX7000、FLEX8000和FLEX10K等可編程器件系列，提供一個(gè)與結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)的PLD開(kāi)發(fā)環(huán)境。 （5） 支持硬件描述語(yǔ)言。MAX+PLUS支持各種HDL設(shè)計(jì)輸入語(yǔ)言，包括VHDL、Verilog-HDL和Altera的硬件描述語(yǔ)言AHDL。 （6） 豐富的設(shè)計(jì)庫(kù)。MAX+PLUS提供豐富的庫(kù)單元供設(shè)計(jì)者調(diào)用，其中包括一些基本的邏輯單元，74系列的器件和多種特定功能的宏功能模塊以及參數(shù)化的兆功能模塊。調(diào)用庫(kù)單元進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以大大減輕設(shè)計(jì)人員的工作量，縮短設(shè)計(jì)周期。數(shù)字頻率計(jì)是數(shù)字電路中的一個(gè)典型應(yīng)用，傳統(tǒng)的數(shù)字頻率計(jì)一般由分離元件搭接而成，實(shí)際的硬件設(shè)計(jì)用到的器件較多，連線比較復(fù)雜，其測(cè)量范圍、測(cè)量精度和測(cè)量速度都受到很大的限制。隨著新型可編程邏輯器件FPGA技術(shù)的發(fā)展，能夠?qū)⒋罅康倪壿嫻δ芗捎谝粋€(gè)單個(gè)器件中，根據(jù)不同的需要所提供的門(mén)數(shù)可以從幾百萬(wàn)到上百萬(wàn)門(mén)，不但集成度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了以往的數(shù)字頻率計(jì)，而且在基準(zhǔn)頻率及精度等外部條件的允許下，根據(jù)不同場(chǎng)合的精度要求，對(duì)硬件描述語(yǔ)言進(jìn)行一定的改動(dòng)，使系統(tǒng)在精度提高的同時(shí)，用較少的器件來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能，從而降低系統(tǒng)的整體造價(jià)。 此外，系統(tǒng)芯片（SOC）的發(fā)展也要求其包含頻率測(cè)量的功能，所以用FPGA實(shí)現(xiàn)數(shù)字頻率計(jì)也是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)芯片的前提條件。本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的數(shù)字頻率計(jì)，除被測(cè)信號(hào)以外，只需要一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)基信號(hào)，其余全部在一片F(xiàn)PGA芯片上實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)各功能模塊的實(shí)現(xiàn)全部采用VHDL語(yǔ)言編寫(xiě)。本設(shè)計(jì)通過(guò)用VHDL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)數(shù)字頻率計(jì)，用設(shè)計(jì)實(shí)例說(shuō)明如何采用層次化的設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)較大的數(shù)字系統(tǒng)，并強(qiáng)化了使用VHDL語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的能力。接下來(lái)，在后續(xù)的章節(jié)會(huì)介紹硬件描語(yǔ)言VHDL語(yǔ)言的詳細(xì)情況。2設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)2.1 數(shù)字頻率計(jì)概述 數(shù)字頻率計(jì)是一種用十進(jìn)制數(shù)字顯示被測(cè)信號(hào)頻率的數(shù)字測(cè)量?jī)x器.它的基本功能是測(cè)量正弦信號(hào)、方波信號(hào)、尖脈沖信號(hào)及其他各種單位時(shí)間內(nèi)變化的物理量。當(dāng)今數(shù)字頻率計(jì)不僅是作為電壓表、計(jì)算機(jī)、天線電廣播通訊設(shè)備、工藝過(guò)程自動(dòng)化裝置。集成數(shù)字頻率計(jì)由于所用元件少、投資少、體積小、功耗低、且可靠性高、功能強(qiáng)、易于設(shè)計(jì)和研發(fā)，使得它具有技術(shù)上的實(shí)用性和應(yīng)用的廣泛性。不論從彩色電視機(jī)、電冰箱、DVD，還是現(xiàn)在家庭常用到的數(shù)字電壓表、數(shù)字萬(wàn)用表等都包含有頻率計(jì)。在智能化、數(shù)字化科技發(fā)展的今天，數(shù)字頻率計(jì)已成為頻率計(jì)發(fā)展的方向，與傳統(tǒng)的頻率計(jì)相比，數(shù)字頻率計(jì)具有測(cè)量速度快、精度高、量程大、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、讀數(shù)方便等優(yōu)點(diǎn)。因此數(shù)字頻率計(jì)的發(fā)展對(duì)整個(gè)電子產(chǎn)品的發(fā)展起著舉足輕重的作用。 隨著社會(huì)和科技的發(fā)展，信息傳輸和處理的要求的提高，對(duì)頻率的測(cè)量精度也提出了更高的要求，需要更高準(zhǔn)確度的時(shí)頻基準(zhǔn)和更精密的測(cè)量技術(shù)。而頻率測(cè)量所能達(dá)到的精度，主要取決于作為標(biāo)準(zhǔn)頻率源的精度以及所使用的測(cè)量設(shè)備和測(cè)量方法。頻率測(cè)量技術(shù)的發(fā)展非常快。一方面是追求新的更高穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度的新型頻標(biāo)；另一方面是提供便于工業(yè)，科研應(yīng)用的商品化頻標(biāo)，如小銫鐘，新型高穩(wěn)定度晶體振蕩器等這些工作多在計(jì)量研究與工業(yè)部門(mén)進(jìn)行。在頻率測(cè)量的研究上，改進(jìn)，創(chuàng)造新的測(cè)頻原理，方法和儀器，以便以更高的精度，速度，自動(dòng)進(jìn)行測(cè)量和數(shù)據(jù)處理，并向多功能，小型化，高性價(jià)比發(fā)展是其主要的發(fā)展方向。目前國(guó)內(nèi)外使用的測(cè)頻的方法有很多，如直接測(cè)頻法，內(nèi)插法，游標(biāo)法，時(shí)間電壓變化法，多周期同步法，頻率倍增法，頻差倍增法以及相位比較法等測(cè)頻方法。直接測(cè)頻的方法較簡(jiǎn)單，但精度不高。內(nèi)插法和游標(biāo)法都是采用模擬的方法，而且多用于測(cè)量時(shí)間間隔，從而進(jìn)行轉(zhuǎn)換得出，雖然精度提高了，但是電路設(shè)計(jì)卻很復(fù)雜。時(shí)間電壓變化法是利用電容的充放電時(shí)間進(jìn)行測(cè)量，由于經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換，速度較慢，且抗干擾能力較弱，多周期同步法其方法是：首先由控制線路給出閘門(mén)開(kāi)啟信號(hào)，此時(shí)計(jì)數(shù)器并不開(kāi)始計(jì)數(shù)，而是等到被測(cè)信號(hào)的上升沿到來(lái)時(shí)，才真正開(kāi)始計(jì)數(shù)。然后，兩組計(jì)數(shù)器分別對(duì)被測(cè)信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，要等到被測(cè)信號(hào)下降沿到來(lái)時(shí)才真正結(jié)束計(jì)數(shù)，完成一次測(cè)量過(guò)程。計(jì)數(shù)器的開(kāi)閉與被測(cè)信號(hào)是完全同步的。為了進(jìn)一步的提高精度，通常采用模擬內(nèi)插法或游標(biāo)法與多周期同步法結(jié)合使用，雖然精度有了進(jìn)一步的提高，但始終未解決士1的計(jì)數(shù)誤差，而且這些方法設(shè)備復(fù)雜，不利于推廣。頻率誤差倍增法就是使用2個(gè)標(biāo)稱值一樣的頻標(biāo)信號(hào)，通過(guò)多次倍頻，混頻，濾波以及放大把2個(gè)頻標(biāo)信號(hào)的頻差加以放大的方法。它的優(yōu)點(diǎn)是把差頻放大后，便于使用簡(jiǎn)單的儀器來(lái)獲得測(cè)量精度的測(cè)量結(jié)果。但是用這種方法來(lái)提高測(cè)量精度是有限的。在結(jié)合前面多種方法的基礎(chǔ)上做了改進(jìn)，等精度測(cè)量不但有很高的測(cè)量精度。且在整個(gè)頻率區(qū)域能保持恒定的測(cè)量精度。數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)手段也是多種多樣的。大體上分為利用數(shù)字電路設(shè)計(jì)，單片機(jī)設(shè)計(jì)，DSP進(jìn)行設(shè)計(jì)和硬件描述語(yǔ)言的設(shè)計(jì)。采用數(shù)字電路的頻率計(jì)因其電路極為復(fù)雜，抗干擾能力和穩(wěn)定性較差，因此使用較少。 采用單片機(jī)設(shè)計(jì)具有一定的優(yōu)勢(shì)，如以AT89C51單片機(jī)和MSP430F449單片機(jī)的頻率計(jì)設(shè)計(jì)，總體來(lái)看，這些具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功能齊全，使用方便的特點(diǎn)。但其在電路硬件級(jí)的描述上不足，使得其更適合做控制方面，結(jié)合硬件描述進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用TMS320F2812DSP 芯片為控制單元，在無(wú)需任何門(mén)控器件控制的情況下，利用DSP2812豐富的軟件資源可以實(shí)現(xiàn)等精度測(cè)量。它根據(jù)每個(gè)門(mén)閘時(shí)間內(nèi)高頻標(biāo)準(zhǔn)脈沖的個(gè)數(shù)與已知被測(cè)信號(hào)的個(gè)數(shù)，求的被測(cè)信號(hào)的頻率，再通過(guò)多次平均得到最終結(jié)果。但由于DSP定時(shí)器在計(jì)數(shù)時(shí)存在計(jì)數(shù)飽和的情況，因此在實(shí)現(xiàn)該精度測(cè)量時(shí)存在上限，即當(dāng)被測(cè)測(cè)信號(hào)頻率填充脈沖的頻率時(shí)，該方法就不能實(shí)現(xiàn)等精度了，采用硬件描述語(yǔ)言進(jìn)行設(shè)計(jì)是目前最多也是最好的設(shè)計(jì)方法。 近年來(lái)，我國(guó)在數(shù)字頻率計(jì)研究領(lǐng)域發(fā)展迅速。目前，數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)可以直接面向用戶需求，根據(jù)系統(tǒng)的行為和功能要求，自上至下的逐層完成相應(yīng)的描述、綜合、優(yōu)化、仿真與驗(yàn)證，直到生成器件。 2.2數(shù)字頻率計(jì)的基本設(shè)計(jì)原理 所謂頻率，就是周期信號(hào)在單位時(shí)間1s里變化的次數(shù)。常用的直接測(cè)頻法有兩種:一種是測(cè)周期法；一種是測(cè)頻率法。測(cè)周期法需要有基準(zhǔn)系統(tǒng)時(shí)鐘頻率Fs，在待測(cè)信號(hào)一個(gè)周期Tx內(nèi)，記錄基準(zhǔn)系統(tǒng)時(shí)鐘頻率的周期數(shù)Ns，則被測(cè)頻率可表示為: Fx=Fs/Ns 。 測(cè)頻率法就是在一定時(shí)間間隔Tw(該時(shí)間定義為閘門(mén)時(shí)間)內(nèi)，測(cè)得這個(gè)周期性信號(hào)的重復(fù)變換次數(shù)為Nx，則其頻率可表示為: Fx=Nx/Tw 。 這兩種方法的計(jì)數(shù)值會(huì)產(chǎn)生正負(fù)一個(gè)字的誤差，并且被測(cè)精度與計(jì)數(shù)器中記錄的數(shù)值Nx有關(guān)，為保證測(cè)試精度，一般對(duì)于低頻信號(hào)采用測(cè)周期法，對(duì)于高頻信號(hào)采用測(cè)頻率法。 直接測(cè)頻法的一般思路是：在精確規(guī)定計(jì)數(shù)允許周期T內(nèi)使能計(jì)數(shù)器，對(duì)被測(cè)信號(hào)的周期（脈沖）數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)允許周期T的長(zhǎng)度決定了被測(cè)信號(hào)頻率的范圍。較長(zhǎng)的計(jì)數(shù)允許周期T對(duì)低頻信號(hào)而言有利于改善測(cè)量精度，但對(duì)于高頻信號(hào)來(lái)說(shuō)，則會(huì)產(chǎn)生溢出；較短的計(jì)數(shù)允許周期T對(duì)低頻信號(hào)的測(cè)量，雖然精度降低，但能測(cè)量的最大頻率較高，且不會(huì)產(chǎn)生溢出。在本設(shè)計(jì)中，用一個(gè)頻率穩(wěn)定度高的頻率源作為基準(zhǔn)時(shí)鐘，通過(guò)對(duì)來(lái)臨的待測(cè)信號(hào)的上升沿在設(shè)定的計(jì)數(shù)允許周期T內(nèi)計(jì)數(shù)，這個(gè)計(jì)數(shù)允許周期T就是所謂的閥門(mén)。閘門(mén)時(shí)間可以根據(jù)需要取值大于或小于1 s都可以。閘門(mén)時(shí)間越長(zhǎng)，得到的頻率值就越準(zhǔn)確，但閘門(mén)時(shí)間越長(zhǎng)，則每測(cè)一次頻率的間隔就越長(zhǎng)。閘門(mén)時(shí)間越短，測(cè)得的頻率值刷新就越快，但測(cè)得的頻率精度就受影響。通常情況下計(jì)算每秒內(nèi)待測(cè)信號(hào)的脈沖個(gè)數(shù)即閘門(mén)時(shí)間為1s。基于此思路，可得到數(shù)字式頻率計(jì)系統(tǒng)組成框圖如圖2.0。圖2.0數(shù)字式頻率計(jì)的原理方框圖系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法,包括脈沖發(fā)生器電路模塊與測(cè)頻控制信號(hào)發(fā)生器電路模塊 ,以及待測(cè)信號(hào)脈沖計(jì)數(shù)電路模塊和鎖存與譯碼顯示控制電路模塊。該數(shù)字式頻率計(jì)的精度取決于系統(tǒng)基準(zhǔn)時(shí)鐘，實(shí)際設(shè)計(jì)可采用石英晶體振蕩器電路，以便為閘門(mén)控制電路產(chǎn)生精確的系統(tǒng)基準(zhǔn)時(shí)鐘。并且分別用VHDL硬件描述語(yǔ)言對(duì)其編程，實(shí)現(xiàn)了閘門(mén)控制信號(hào)、計(jì)數(shù)電路、鎖存電路、顯示電路等。根據(jù)數(shù)字頻率計(jì)的系統(tǒng)原理方框圖（圖2.0）設(shè)計(jì)系統(tǒng)的頂層電路圖如圖2.1所示，A模塊為基準(zhǔn)脈沖信號(hào)產(chǎn)生模塊，B模塊為測(cè)頻時(shí)序控制電路模塊，C模塊為計(jì)數(shù)模塊，D模塊為40位鎖存器模塊，E模塊為七段譯碼顯示模塊，F(xiàn)模塊為動(dòng)態(tài)掃描模塊。圖2.1十位十進(jìn)制頻率計(jì)頂層原理圖2.3測(cè)頻專用模塊功能描述及VHDL程序2.3.1基準(zhǔn)脈沖信號(hào)產(chǎn)生模塊當(dāng)系統(tǒng)正常工作時(shí)，脈沖發(fā)生器提供標(biāo)準(zhǔn)1HZ的輸入信號(hào)，經(jīng)過(guò)測(cè)頻時(shí)序控制信號(hào)發(fā)生器進(jìn)行信號(hào)的變換，產(chǎn)生計(jì)數(shù)信號(hào)。測(cè)量信號(hào)時(shí)，將被測(cè)信號(hào)送入計(jì)數(shù)模塊。先使計(jì)數(shù)模塊對(duì)輸入的矩形波進(jìn)行計(jì)數(shù)，將計(jì)數(shù)結(jié)果送入鎖存器中，保證系統(tǒng)可以穩(wěn)定顯示數(shù)據(jù)，然后將計(jì)數(shù)結(jié)果送入動(dòng)態(tài)掃描電路進(jìn)行選擇輸出，輸出結(jié)果由顯示譯碼驅(qū)動(dòng)電路將計(jì)數(shù)結(jié)果轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的能夠在七段數(shù)碼顯示管上可以顯示的十進(jìn)制結(jié)果，在七段數(shù)碼顯示管可以看到計(jì)數(shù)結(jié)果。圖2.2基準(zhǔn)脈沖信號(hào)產(chǎn)生模塊 基準(zhǔn)脈沖信號(hào)產(chǎn)生模塊的工作過(guò)程為：由外部時(shí)鐘提供的10MHZ 標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號(hào)，經(jīng)分頻器兩次分頻以后得到1HZ 基準(zhǔn)脈沖信號(hào)。在CLK10M模塊，輸入為由外部時(shí)鐘提供的CLK脈沖信號(hào)，頻率為10MHZ ,經(jīng)過(guò)10000分頻，輸出為信號(hào)CLK500，頻率為500HZ,該時(shí)鐘信號(hào)可作為動(dòng)態(tài)掃描顯示模塊的掃描時(shí)鐘信號(hào)，時(shí)鐘信號(hào)CLK500經(jīng)過(guò)CLKGEN模塊，經(jīng)過(guò)250分頻，輸出為基準(zhǔn)脈沖信號(hào)NECLK ,頻率為1HZ.CLK10M模塊的源程序?yàn)椋篖IBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY CLK10M ISPORT( CLK :IN STD_LOGIC ; 外部時(shí)鐘提供的10MHZ標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號(hào) CLK500: OUT STD_LOGIC); 10000分頻后的時(shí)鐘信號(hào)END CLK10M;ARCHITECTURE ART OF CLK10M IS SIGNAL CNTER:STD_LOGIC_VECTOR(24 DOWNTO 0); SIGNAL CNTEER:STD_LOGIC; BEGIN PROCESS(CLK) BEGIN IF (CLKEVENT AND CLK=1) THEN IF CNTER=9999 THEN CNTER=0000000000000000000000000; CNTEER=NOT CNTEER; ELSE CNTER=CNTER+1; END IF ; END IF ; END PROCESS; CLK500=CNTEER; END ART;CLKGEN模塊的源程序?yàn)椋篖IBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY CLKGEN ISPORT( CLK :IN STD_LOGIC ; NEWCLK: OUT STD_LOGIC);END CLKGEN;ARCHITECTURE ART OF CLKGEN IS SIGNAL CNTER:STD_LOGIC_VECTOR(24 DOWNTO 0); SIGNAL CNTEER:STD_LOGIC; BEGIN PROCESS(CLK) BEGIN IF (CLKEVENT AND CLK=1) THEN IF CNTER=249 THEN CNTER=0000000000000000000000000; CNTEER=NOT CNTEER; ELSE CNTER=CNTER+1; END IF ; END IF ; END PROCESS; NEWCLK=CNTEER; END ART;仿真后得到的波形圖如圖2.3所示：仿真分析：輸入信號(hào)CLK 的頻率為10MHZ，輸出信號(hào)CLK500的頻率為500HZ。圖2.3CLK500分頻模塊仿真波形圖2. 4CLKGEN 分頻模塊仿真波形仿真分析：輸入信號(hào)CLK的頻率為500HZ,輸出NEWCLK的頻率為1HZ。2.3.2 測(cè)頻時(shí)序控制電路模塊圖2.5測(cè)頻時(shí)序控制電路模塊框圖測(cè)頻時(shí)序控制電路模塊框圖如圖2.5所示，CLK為由基準(zhǔn)脈沖信號(hào)產(chǎn)生模塊產(chǎn)生的頻率為1HZ的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)NEWCLK，測(cè)頻時(shí)，將頻率為1HZ的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)NEWCLK送入控制電路輸入端CLK，輸出端包括一個(gè)計(jì)數(shù)使能輸出端TSTEN，一個(gè)是清零信號(hào)輸入端CLR_CNT和一個(gè)數(shù)據(jù)鎖存輸出端LOAD。使能信號(hào)TSTEN對(duì)頻率計(jì)中10個(gè)十進(jìn)制計(jì)數(shù)器的使能端ENA進(jìn)行同步控制，當(dāng)TSTEN為高電平時(shí)允許計(jì)數(shù)，低電平時(shí)停止計(jì)數(shù)，停止計(jì)數(shù)期間，測(cè)頻時(shí)序控制模塊TESTCTL的鎖存信號(hào)LOAD端輸出上升沿，將計(jì)數(shù)值鎖存到REG40B鎖存器中。測(cè)頻控制模塊TESTCTL的CLR_CNT端產(chǎn)生一個(gè)上升沿，對(duì)計(jì)數(shù)器進(jìn)行清零。為下一秒的計(jì)數(shù)操作做準(zhǔn)備。圖2.6測(cè)頻時(shí)序模塊波形圖為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，測(cè)頻時(shí)序控制模塊TESTCTL，計(jì)數(shù)器CNT10，以及鎖存器REG40B存在一個(gè)工作時(shí)序的問(wèn)題，設(shè)計(jì)時(shí)需要綜合考慮。為了產(chǎn)生如圖2.6所示的時(shí)序圖，首先要有一個(gè)D觸發(fā)器構(gòu)成二分頻器，在每次時(shí)鐘CLK上升沿到來(lái)使其值翻轉(zhuǎn)。觸發(fā)器的輸出高電平正好是1S，即測(cè)頻時(shí)序控制模塊TESTCTL的TSTEN端時(shí)鐘脈沖信號(hào)的脈寬為1S，并對(duì)頻率計(jì)的每一計(jì)數(shù)器CNT10的ENA使能端進(jìn)行同步控制。而LOAD信號(hào)正好是TSTEN端信號(hào)的翻轉(zhuǎn)。在計(jì)數(shù)結(jié)束后半個(gè)CLK周期，CLK與TSTEN都為低電平，這時(shí)CLR_CNT產(chǎn)生一個(gè)上升沿作為清零信號(hào)。 圖2.7測(cè)頻時(shí)序模塊仿真波形 測(cè)頻時(shí)序控制電路模塊源程序：LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY TESTCTL ISPORT(CLK:IN STD_LOGIC;TSTEN:OUT STD_LOGIC;CLR_CNT:OUT STD_LOGIC;LOAD: OUT STD_LOGIC);END TESTCTL;ARCHITECTURE ART OF TESTCTL ISSIGNAL Div2CLK:STD_LOGIC;BEGINPROCESS(CLK)BEGIN IF CLKEVENT AND CLK=1 THEN Div2CLK=NOT Div2CLK; END IF;END PROCESS;PROCESS(CLK,Div2CLK)BEGIN IF CLK=0AND Div2CLK=0THEN CLR_CNT=1; ELSE CLR_CNT=0; END IF ;END PROCESS;LOAD=NOT Div2clk;TSTEN=Div2CLK;END ART;2.3.3計(jì)數(shù)模塊 該計(jì)數(shù)模塊主要有10個(gè)十進(jìn)制計(jì)數(shù)器CNT10級(jí)聯(lián)而成，具有復(fù)位和使能控制功能，主要是在閥門(mén)時(shí)間內(nèi)對(duì)被測(cè)信號(hào)FSIN頻率進(jìn)行計(jì)數(shù)。圖2.8計(jì)數(shù)模塊框圖測(cè)頻時(shí)， 測(cè)頻時(shí)序控制電路模塊TESTCTL的TSTEN端時(shí)鐘脈沖信號(hào)的脈寬為1S，并對(duì)頻率計(jì)的如圖2.8的計(jì)數(shù)模塊每一計(jì)數(shù)器CNT10的ENA使能端進(jìn)行同步控制，TSTEN高電平期間允許各個(gè)計(jì)數(shù)器工作，低電平期間停止計(jì)數(shù)并保持計(jì)數(shù)值。測(cè)頻控制模塊TESTCTL的CLR_CNT端產(chǎn)生一個(gè)上升沿，并對(duì)頻率計(jì)的每一計(jì)數(shù)器CNT10的CLR端進(jìn)行同步控制，對(duì)計(jì)數(shù)器進(jìn)行清零。當(dāng)測(cè)頻時(shí)序控制模塊TESTCTL的鎖存信號(hào)LOAD端輸出上升沿時(shí)，將計(jì)數(shù)值DIN(39 DOWNTO 0)鎖存到REG40B鎖存器中.此計(jì)數(shù)器從個(gè)位開(kāi)始到高位分別計(jì)數(shù)，使低位計(jì)數(shù)器CNT10的CARRY_OUT端與高位計(jì)數(shù)器CNT10的輸入時(shí)鐘位CLK相連。首個(gè)計(jì)數(shù)器CNT10的CLK端外接被測(cè)信號(hào)FSIN,該計(jì)數(shù)模塊的輸出信號(hào)為有低位到高位的10組4位二進(jìn)制表示的十進(jìn)制數(shù)，用來(lái)分別表示被測(cè)信號(hào)的個(gè)、十、百、千等位的數(shù)值。位數(shù)越高頻率測(cè)量的范圍也越寬，此測(cè)量范圍由計(jì)數(shù)電路內(nèi)部的十進(jìn)制計(jì)數(shù)器的個(gè)數(shù)來(lái)決定。 圖2.9具有同步使能端的十進(jìn)制計(jì)數(shù)器 元件符號(hào)圖 具有同步使能端的十進(jìn)制計(jì)數(shù)器如圖2.9所示，CARRY_OUT 是計(jì)數(shù)器進(jìn)位輸出；COUNT10(3 DOWNTO 0)是計(jì)數(shù)器的狀態(tài)輸出；CLK是時(shí)鐘輸入端；ENA是使能控制輸入端，當(dāng)ENA=1時(shí)，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，當(dāng)ENA=0時(shí)，計(jì)數(shù)器保持狀態(tài)不變。 具有同步使能端的十進(jìn)制計(jì)數(shù)器源程序?yàn)椋?LIBRARY IEEE; USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL; ENTITY CNT10 IS PORT( CLK:IN STD_LOGIC; 計(jì)數(shù)時(shí)鐘信號(hào) CLR:IN STD_LOGIC; 清零信號(hào) ENA:IN STD_LOGIC; 計(jì)數(shù)使能信號(hào) COUNT10:BUFFER STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); 4位計(jì)數(shù)結(jié)果輸出 CARRY_OUT:OUT STD_LOGIC 計(jì)數(shù)進(jìn)位 ); END CNT10; ARCHITECTURE ART OF CNT10 IS SIGNAL CQI: STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); BEGIN PROCESS(CLK,CLR,ENA) BEGIN IF CLR=1THEN CQI=0000; 計(jì)數(shù)器異步清零 ELSIF CLKEVENT AND CLK=1THEN IF ENA=1THEN IF CQI=1001THEN CQI=0000; 等于9，則計(jì)數(shù)器清零 ELSE CQI=CQI+1; END IF; END IF; END IF; END PROCESS; PROCESS(CQI) BEGIN IF CQI=1001THEN CARRY_OUT=1; 進(jìn)位輸出 ELSE CARRY_OUT=0; END IF; END PROCESS; COUNT10=CQI; END ART;圖2.10具有使能端的十進(jìn)制計(jì)數(shù)器的仿真波形仿真分析：在使能端ENA高電平期間，清零信號(hào)CLR為低電平時(shí)，CNT10計(jì)數(shù)器以十進(jìn)制計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)到9后，進(jìn)位CARRY_OUT輸出為高電平，在下一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)CLK上升沿到來(lái)時(shí)，計(jì)數(shù)器清零。在使能端ENA為低電平時(shí)，計(jì)數(shù)器不能啟動(dòng)。當(dāng)清零信號(hào)CLR為高電平時(shí)，計(jì)數(shù)器清零。2.3.4 鎖存器模塊 圖2.11鎖存器元件符號(hào)鎖存器模塊元件符號(hào)如圖2.11所示，主要作用為鎖存計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值。設(shè)置鎖存器可以使數(shù)據(jù)顯示穩(wěn)定可靠，不會(huì)由于周期性的清零信號(hào)而使數(shù)碼管不斷閃爍。測(cè)頻時(shí)序控制模塊TESTCTL的鎖存信號(hào)LOAD端輸出上升沿，將計(jì)數(shù)值鎖存到REG40B鎖存器中,并由REG40B的輸出端輸出。鎖存器模塊的源程序：LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITY REG40B ISPORT( LOAD :IN STD_LOGIC; 鎖存信號(hào)時(shí)鐘 DIN: IN STD_LOGIC_VECTOR(39 DOWNTO 0); 鎖存器輸入信號(hào) DOUT: OUT STD_LOGIC_VECTOR(39 DOWNTO 0) 鎖存器輸出信號(hào) );END REG40B;ARCHITECTURE ART OF REG40B ISBEGINPROCESS(LOAD,DIN)BEGINIF LOADEVENT AND LOAD=1 THEN DOUT=DIN; LOAD上升沿到來(lái)后END IF; 鎖存END PROCESS; END ART;圖2.12REG40B 波形仿真REG40B波形仿真分析：輸入信號(hào)DIN為40位數(shù)據(jù)0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0001 1000，測(cè)頻時(shí)序控制模塊TESTCTL的鎖存信號(hào)LOAD端輸出上升沿時(shí)，將計(jì)數(shù)值鎖存到REG40B鎖存器中，輸出信號(hào)DOUT為40位數(shù)據(jù)0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0001 1000.2.3.5七段顯示譯碼器數(shù)字邏輯系統(tǒng)中常用的顯示器件是數(shù)碼管，半導(dǎo)體數(shù)碼管的外形和等效電路如圖2.13所示，每一個(gè)字段都是一個(gè)發(fā)光二極管，因而也稱之為L(zhǎng)ED數(shù)碼管或LED顯示器。LED數(shù)碼管用七段發(fā)光二極管（帶小數(shù)點(diǎn)時(shí)為8段）來(lái)顯示數(shù)字，每一段都是一個(gè)發(fā)光二極管，一般把所有段的相同的一端相連，連接到地（共陰極接法）或者是連接到電源（共陽(yáng)極接法）。共陰極LED數(shù)碼管的公共端連接到地，另一端分別接一個(gè)限流電阻后再接到控制電路的信號(hào)端，當(dāng)信號(hào)端為高電平時(shí)，該段即被點(diǎn)亮，否則不亮。共陽(yáng)極接法則相反，公共端連接到電源，另一端分別接一個(gè)限流電阻后再接到控制電路的信號(hào)端，只有信號(hào)端為低電平時(shí)才被點(diǎn)亮，否則不亮。 圖2.13數(shù)碼管的外形和等效電路在數(shù)字邏輯電路中，數(shù)碼管可以用TTL或CMOS集成電路來(lái)直接驅(qū)動(dòng)，其驅(qū)動(dòng)方式有BCD碼驅(qū)動(dòng)和直接驅(qū)動(dòng)。BCD碼驅(qū)動(dòng)方式是用74LS48(共陽(yáng)極七段顯示驅(qū)動(dòng)器)、74LS49（共陰極七段顯示驅(qū)動(dòng)器）譯碼驅(qū)動(dòng)電路來(lái)控制數(shù)碼管顯示。直接驅(qū)動(dòng)方式是直接對(duì)數(shù)碼管相應(yīng)的字段給出驅(qū)動(dòng)電平，以顯示電平。 74LS48是一種實(shí)現(xiàn)碼型轉(zhuǎn)換的譯碼芯片。碼型轉(zhuǎn)化就是將一種編碼的輸入轉(zhuǎn)換為另一種編碼輸出。74LS48就是將BCD碼轉(zhuǎn)換成為7段數(shù)碼管顯示編碼。它是共陰極驅(qū)動(dòng)芯片，也就是在輸出高電平時(shí)，該芯片具有較強(qiáng)的電流輸出能力。 圖2.14七段顯示譯碼器模塊元件符號(hào)七段顯示譯碼模塊將鎖存器送過(guò)來(lái)的4位BCD數(shù)字符譯成七段碼。頻率測(cè)量中，共要10個(gè)七段顯示譯碼模塊BCD。鎖存器模塊輸出的40位數(shù)據(jù)，從低位到高位以4位二進(jìn)制數(shù)據(jù)為一組分別送入顯示譯碼模塊的輸入端口BCD(3 DOWNTO 0)。每個(gè)顯示譯碼模塊的輸出端LED(6 DOWNTO 0)從低位高位送入動(dòng)態(tài)掃描模塊的10個(gè)7位數(shù)據(jù)輸入端口。七段顯示譯碼模塊的源程序：LIBRARY IEEE; USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; ENTITY BCD7 IS PORT(BCD:IN STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); 輸入的4位BCD 數(shù)字符 LED: OUT STD_LOGIC_VECTOR(6 DOWNTO 0); 輸出七段碼END; ARCHITECTURE ART OF BCD7 IS BEGIN LED=0111111 WHEN BCD=0000 ELSE 0 LED 為共陰極 0000110 WHEN BCD=0001 ELSE 1 1011011 WHEN BCD=0010 ELSE 2 1001111 WHEN BCD=0011 ELSE 3 1100110 WHEN BCD=0100 ELSE 4 1101101 WHEN BCD=0101 ELSE 5 1111101 WHEN BCD=0110 ELSE 6 0000111 WHEN BCD=0111 ELSE 7 1111111 WHEN BCD=1000 ELSE 8 1101111 WHEN BCD=1001 ELSE 9 0000000; END ART; 圖2.15七段顯示譯碼器模塊仿真波形仿真波形分析：在七段顯示譯碼器模塊仿真中，輸入信號(hào)BCD的值為 0001時(shí)，輸出信號(hào)LED 的值為0000110，當(dāng)輸入信號(hào)BCD的值為1110時(shí)，輸出信號(hào)LED的值為0000000。因?yàn)樵摂?shù)字頻率計(jì)要求的為10進(jìn)制計(jì)數(shù)，則該七段顯示譯碼器只對(duì)0到9的二進(jìn)制數(shù)進(jìn)行譯碼，輸入其他的二進(jìn)制數(shù)時(shí)，譯碼輸出為0000000。2.3.6動(dòng)態(tài)掃描顯示模塊 在CPLD或FPGA驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果時(shí)，數(shù)碼管的兩種驅(qū)動(dòng)方式BCD碼驅(qū)動(dòng)和直接驅(qū)動(dòng)兩種方法均可采用，10個(gè)LED數(shù)碼管以靜態(tài)方式顯示時(shí)，需要用