cpld數(shù)字頻率計綜合設計.doc

計數(shù)式數(shù)字頻率計的CPLD實現(xiàn)目錄一、概述4二、題目要求5三、設計方案的選擇53.1 頻率測量方案比較63.1.1 直接測量法63.1.2 組合測頻法63.1.3 倍頻法63.2.1直接測量誤差73.2.2 標準頻率誤差83.2.3 脈沖寬度測量理論誤差分析8四、單元電路設計84.1 整波電路模塊84.2 計數(shù)模塊94.3 脈沖測量模塊94.4 數(shù)據(jù)變換模塊104.5 量程選擇模塊104.6 譯碼模塊10五、方案的實現(xiàn)11六、測試和調(diào)試126.1 硬件調(diào)試126.2硬件測試126.3測試數(shù)據(jù)記錄表166.4測量結果分析17七、實驗元器件清單17八、實驗程序17九、結束語25參考文獻25計數(shù)式數(shù)字頻率計的CPLD實現(xiàn)一、概述數(shù)字頻率計是數(shù)字電路中的一個典型應用，是計算機、通訊設備、音頻視頻等科研生產(chǎn)領域不可缺少的測量儀器。實際的硬件設計用到的器件較多，連線比較復雜，而且會產(chǎn)生比較大的延時，造成測量誤差、可靠性差。隨著復雜可編程邏輯器件（CPLD）的廣泛應用，以EDA工具作為開發(fā)手段，運用AHDL語言，將使整個系統(tǒng)大大簡化， 提高整體的性能和可靠性。采用ADHL編程設計實現(xiàn)的數(shù)字頻率計，除被測信號的整形部分、鍵輸入部分和數(shù)碼顯示部分以外，其余全部在一片CPLD芯片上實現(xiàn)，整個系統(tǒng)非常精簡。在不更改硬件電路的基礎上，對系統(tǒng)進行各種改進還可以進一步提高系統(tǒng)的性能。該數(shù)字頻率計具有高速、精確、可靠和抗干擾性強等優(yōu)點。本文用AHDL在CPLD器件上實現(xiàn)一種8位數(shù)字頻率計測頻系統(tǒng)，能夠用十進制數(shù)碼顯示被測信號的頻率，不僅能夠測量正弦波、方波和三角波等信號的頻率，而且還能對其他多種物理量進行測量。具有體積小、可靠性高、功耗低的特點。二、題目要求基本要求：測量頻率范圍：100Hz100MHz，測量相對誤差：1%；測量信號：方波峰峰值35V(與TTL兼容)，閘門時間：1s；顯示控制：靜態(tài)8位七段LED顯示，且要求顯示穩(wěn)定，刷新時間與閘門時間相同。提高要求：測量頻率范圍：100Hz100MHz和1Hz1MHz兩檔，相應的閘門時間為1s和100ms，用一開關量選擇控制。顯示控制：動態(tài)掃描8位七段LED顯示，且要求顯示無閃爍，內(nèi)容刷新時間與閘門時間相同。三、設計方案的選根據(jù)頻率計的設計要求，電路系統(tǒng)可劃分為幾個基本模塊，如圖1.1所示計數(shù)方式頻率輸出被測信號脈沖寬度測量電路譯碼器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換顯示器量程1HZ1MHZ和100HZ100MHZ由開關K選擇圖1.1 頻率計組成模塊框圖3.1 頻率測量方案比較3.1.1 直接測量法大家都知道，如果根據(jù)基本原理實現(xiàn)對頻率的數(shù)字化測量，是一種直接測量的手段，這種方法比較簡單，如果能滿足設計要求的話，應該作為首要的選擇方案。下面我們簡單分析一下使用該方法是否能滿足設計要求，把被測頻率信號經(jīng)脈沖整形電路處理后加到閘門的一個輸入端，只有在閘門開通時間T(以秒計)內(nèi)， 被計數(shù)的脈沖送到十進制計數(shù)器進行計數(shù)。設計數(shù)器的值為N，則可以得到被測信號頻率為f = N / T，經(jīng)過對照數(shù)字化直接測量頻率的原理我們可以發(fā)現(xiàn)，本測量在低頻率段的相對測量誤差較大，即在低頻率段不能滿足本設計的要求。3.1.2 組合測頻法 是指在高頻時采用直接測量法，低頻時采用直接測量周期法測信號的周期，然后換算成頻率。這種方法可以在一定程度上彌補方法(1)的不足，但是難以確定最佳分測點，而且電路實現(xiàn)比較復雜。3.1.3 倍頻法是指把頻率測量范圍分成多個頻率段，使用倍頻技術，根據(jù)頻率段設置倍頻系數(shù)，將經(jīng)過整形的低頻信號進行倍頻后再進行測量，對高頻率段則直接進行測量， 倍頻法比較難以實現(xiàn)。經(jīng)過分析我們選擇第二種方法測量，在1HZ1MHZ量程上采用直接測量周期法測信號的周期，然后換算成頻率，在100HZ100MHZ量程上采用直接測量法。3.2 理論誤差分析3.2.1直接測量誤差 若所測頻率值為fx, 被測頻率的真實值為fxe, 標準頻率為fs, 在一次測量中, 預置門時間為Tpr, 被測信號計數(shù)值為Nx, 標準頻率信號計數(shù)值為Nx. 由于fx計數(shù)的起停時間都是由該信號的上升沿觸發(fā)的, 因此在Tpr時間內(nèi)對fx的計數(shù)Nx無誤差, 在此時間內(nèi)的計數(shù)Ns最多相差一個脈沖, 即et 1, 則下式成立: fx / Nx = fs / Ns -(式3.1) fxe / Nx = fs / ( Ns + et ) -(式3.2)可以分別推得 fx = fs Nx / Ns -(式3.3) fxe = fs Nx / ( Ns + et ) -(式3.4)根據(jù)相對誤差公式有 | = fxe / fxe = ( fxe - fx ) / fxe -(式3.5)經(jīng)過整理可以得到 fxe / fxe = et / Ns -(式3.6)因為et 1, 故et / Ns 1 / Ns, 即 et / Ns 1 / Ns Ns = Tpr fs -(式3.7) 根據(jù)以上分析, 可以知道在直接測量100Hz-100MHz中最大誤差是測量100Hz頻率是誤差為1%，因此滿足題目要求。 3.2.2 標準頻率誤差 標準頻率誤差為fs / fs, 因為晶體的穩(wěn)定度很高, 標準頻率誤差可以進行校準, 相對于量化誤差, 校準后的標準頻率誤差可以忽略。3.2.3 脈沖寬度測量理論誤差分析 根據(jù)方案中的脈沖寬度測量方法, 分析脈沖寬度測量誤差. 設被測信號的脈沖寬度為Twxe, 標準頻率信號頻率為fs, 則脈沖寬度的測量值為: Twx = Nx / fs -(式2.8) 在一次測量中, 對標準頻率信號的計數(shù)值Nx可能產(chǎn)生1個標準頻率信號周期的計數(shù)誤差, 則脈沖寬度測量相對誤差為: |Twx / Twx| = ( 1 fs ) / ( Nx fs ) = 1 / Nx -(式2.9)其中Nx = Twx fs. 可以看出, 在fs一定的時候, 脈沖寬度越小, 誤差越大.在測量1HZ-1Mhz量程中最大誤差在測量1MHz上，誤差為： 當Twx = 1s, fs = 100MHz時, Nx = 100, 則有: |Twx / Twx| = 1 / 100 = 1% 因此在測量1HZ-1Mhz量程中誤差也滿足題目要求。四、單元電路設計4.1 整波電路模塊 電路圖如下，fin為輸入被測信號，通過此模塊，將信號二分頻輸出，并得到占空比為50%的方波信號。FS 圖4-14.2 計數(shù)模塊電路圖如下，計數(shù)器模塊為該電路中的核心模塊，它的功能是：對系統(tǒng)40MHZ時鐘進行分頻得到1HZ的頻率信號，在高電平時對輸入信號進行計數(shù)，在低電平時將所計的數(shù)輸出到量程選擇模塊鎖存。圖4-24.3 脈沖測量模塊 此模塊完成脈沖測量方式，為了提高測量精度，首先將系統(tǒng)時鐘inclk分頻得到1MHZ的時鐘，在為高電平時計數(shù)，低電平時將測量數(shù)據(jù)輸出。圖4-34.4 數(shù)據(jù)變換模塊 電路圖如下，該模塊完成脈沖測量數(shù)據(jù)到頻率的轉(zhuǎn)換，公式為：f=1000000/采樣值。圖4-44.5 量程選擇模塊 電路圖如下，此模塊完成計數(shù)方式與脈沖測量方式得到的數(shù)據(jù)之間的切換，其中K為高電平時選擇計數(shù)方式，K為低電平時選擇脈沖測量方式數(shù)據(jù)。圖4-54.6 譯碼模塊 此模塊由兩個電路組成一個十六進制轉(zhuǎn)換BCD碼轉(zhuǎn)換模塊16tobcd和顯示輸出模塊decode7s組成。 16tobcd模塊電路圖如下，完成十六進制到BCD碼轉(zhuǎn)換。圖4-6 decode7s模塊電路圖如下，主要完成7段共陰極數(shù)碼管的譯碼及驅(qū)動，其中8位BCD碼由mout31.0輸入，7SA6.0、7SB7.0分別為兩個掃描顯示的段輸出，sela3.0、selb3.0為八個掃描顯示的位選擇。7sc6.0、6sd6.0為兩個靜態(tài)顯示數(shù)碼管的段輸出，顯示“”字樣。整體設計采用高位滅零顯示方式。圖4-7五、方案的實現(xiàn)8個七段數(shù)碼管 CPLD40MHZ晶振電源圖5-1整個方案我們在實驗室進行仿真成功，通過將程序燒錄到CPLD中，布置引腳觀察實驗結果。六、測試和調(diào)試6.1 硬件調(diào)試 在軟件設計編譯成功后，我們進行了每個模塊在實驗裝置上的調(diào)試，不斷修改程序直至每個模塊達到預計要求。之后將所有模塊連接好，進行整體調(diào)試，下圖是調(diào)試成功結果，進行數(shù)碼管測試，顯示“8888888888”。圖6-16.2硬件測試(1) 為了得到不同頻率的測試信號我們專門設計了一個分頻模塊來產(chǎn)生不同頻率的信號，電路圖如下。圖6-2（2）量程1Hz-1MHz測試調(diào)節(jié)分頻模塊輸出信號的頻率為20Hz，測試結果如下圖所示。圖6-3調(diào)節(jié)分頻模塊輸出信號的頻率為500Hz，測試結果如下圖所示。圖6-4調(diào)節(jié)分頻模塊輸出信號的頻率為5000Hz，測試結果如下圖所示。圖6-5（3）量程100Hz-100MHz測試調(diào)節(jié)分頻模塊輸出信號的頻率為5000Hz，測試結果如下圖所示。K為高電平圖6-7調(diào)節(jié)分頻模塊輸出信號的頻率為10MHz，測試結果如下圖所示。K為高電平 圖6-8調(diào)節(jié)分頻模塊輸出信號的頻率為40MHz，測試結果如下圖所示K為高電平圖6-96.3測試數(shù)據(jù)記錄表 量程1Hz-1MHz100HZ-100MHz被測信號實際頻率20Hz500Hz5000Hz5000Hz10MHz40MHz測試頻率20Hz500Hz5000 Hz4999Hz10MHz39.999999MHz測試誤差0000.02%00表6-16.4測量結果分析 通過在實驗室硬件仿真結果可知基本完成了課程要求的任務，通過開關對量程進行選擇，在低量程中可以經(jīng)測量小于的頻率。在測量誤差上小于，且顯示無閃爍并采用高位滅零顯示。七、實驗元器件清單（）開發(fā)系統(tǒng)MAX+PLUS10.0（）使用器件ACEX EP1K100QC2008-3（3）實驗系統(tǒng)CPLDEE4使用開發(fā)系統(tǒng)。八、實驗程序?qū)嶒灣绦蚩倛D如下：圖8-1208.1分頻模塊fpsubdesign fp(inclk:input;outputf :output;)Variablema 26.0:dff;fd:dff;beginma.clk=inclk;fd.clk=inclk; if ma=1 thenma=0;fd=! fd;elsema=ma+1;fd=fd;end if;outputf=fd;end;8.2計數(shù)模塊fsurveyasubdesign fsurveya(inclk,fin:input;mf25.0 :output;)Variablema 26.0:dff;fd:dff;st1.0:dff;mc 25.0,mf25.0:dff;beginma.clk=inclk;fd.clk=inclk;st.clk=inclk;mc.clk=fin;mf.clk=inclk; if ma=79999999 thenma=0;fd=! fd;elsema=ma+1;fd=fd;end if;case st is when 0= mc=0;mf=mf;if fd then st=1;else st=0;end if;when 1=MF=MF;If fd then st =1;mc=mc+1;elsest=2;mc=mc;end if;when 2= mf=mc;mc=mc;st=0;end case;end;8.3脈沖測量模塊fsurveybSubdesign fsurveyb(inclk,fin:input;mf25.0 : output;)Variablema25.0 , mf25.0, mc25.0:dff;mfd: dff;st1.0:dff;beginma.clk=inclk;mfd.clk=inclk;st.clk=inclk;mf.clk=inclk; mc.clk=mfd;if ma=19 thenma=0;mfd=! Mfd;elsema=ma+1;mfd=mfd;end if ;case st iswhen 0= mf=mf;mc=0;if fin thenst=1;elsest=0;end if;when 1=mf=mf;if fin thenst=1; elsest=0;end if;when 1=mf=mf;if fin thenmc=mc+1;st=1;elsest=2;mc=mc;end if;when 2=mf=mc;mc=mc;st=0;end case;end;8.4數(shù)據(jù)變換模塊div10mcincludedivide32.inc;subdesign div10mc(inclk,mf25.0:input;mfo25.0:output;)variablemdiv32:divide32;beginmdiv32.inclk=inclk;mdiv32.a=100000000;mdiv32.b=(0,mf);mfo=mdiv32.c25.0;end;8.5量程選擇模塊selsubdesignsel(mf25.0,mfo25.0,k:input;mfout25.0:output;)beginIfkthenmfout =mf ;elsemfout =mfo;end if;end;8.6十六進制轉(zhuǎn)換BCD碼模塊16tobcdsubdesign 16tobcd(mf25.0,inclk:input;mout31.0:output;)variablema25.0,mout31.0:dff;st1.0:dff;moutx31.0:dff;beginma.clk=inclk;st.clk=inclk;moutx31.0.clk=inclk;mout.clk=inclk;case st iswhen 0=ma=mf;st=1;mout=mout;when 1= mout=mout;if ma99 thenst=1;ma=ma-100; if moutx11.8=9 then moutx11.8=0; if moutx15.12=9 then moutx15.12=0; if moutx19.16=9 then moutx19.16=0; if moutx23.20 =9 thenmoutx23.20=0; if moutx27.24=9 then moutx27.24=0;moutx31.28=moutx31.28+1; elsemoutx27.24=moutx27.24+1;moutx31.28=moutx31.28;end if;elsemoutx23.20=moutx23.20+1;moutx31.24=moutx31.24;end if;ElseMoutx19.16=moutx19.16+1;moutx31.20=moutx31.20;End if;ElseMoutx15.12=moutx15.12+1;moutx31.16=moutx31.16;End if;Else Moutx11.8=moutx11.8+1;moutx31.12=moutx31.12;End if;Else Moutx31.8=moutx31.8;If ma9 then St=1;ma=ma-10; Moutx7.4=moutx7.4+1;ElseMoutx7.4=moutx7.4;Moutx3.0=ma3.0;St=2;End if;End if;When 2= mout=moutx;moutx=moutx;st=0;end case;end;8.7譯碼驅(qū)動模塊decode7ssubdesign decode7s(mout31.0,inclk,k:input;7sa6.0,7sb7.0,sela3.0,selb 3.0:output;7sc6.0,7sd6.0:output;)variablema9.0,f,sta1.0,stb1.0,mda3.0,mdb3.0:dff;begin7sc=h5b;7sd=h76;mda.clk=inclk;mdb.clk=inclk;ma.clk=inclk;sta.clk=f;stb.clk=f;f.clk=inclk;if ma=1000 then ma=0;f=!f;elsema=ma+1;f=f;end if;sta=sta+1;stb=stb+1;case sta iswhen 0= Mda=mout31.28;If mout 31.28=0 thenSela=0;ElseSela=8;End if;When 1=Mda=mout27.24;If mout31.24=0 thenSela=0;ElseSela=4;End if;When 2=Mda=mout23.20;If mout31.20=0 thenSela=0;ElseSela=2;End if;When 3=Mda=mout19.16;If mout31.16=0 thenSela=0;Else Sela=1;End if;End case;Case stb isWhen 0=Mdb=mout15.12;If mout31.12=0 thenselb=0;Elseselb=8;End if; When 1=Mdb=mout11.8;If k then7sb7=gnd;Else7sb7=vcc;End if;If mout31.8=0 thenSelb=0;ElseSelb=4;End if;When 2=Mdb=mout7.4;Selb=2;When 3=Mdb=mout3.0;Selb=1;End case;TableMd