FPGA頻率計實(shí)驗(yàn)報告

1、數(shù)字頻率計用VHDL語言設(shè)計實(shí)現(xiàn)基于FPGA的數(shù)字頻率計學(xué)校：學(xué)院：姓名：學(xué)號：實(shí)驗(yàn)室：實(shí)驗(yàn)日期：摘要本文介紹了一種基于FPGA勺數(shù)字頻率的實(shí)現(xiàn)方法。該設(shè)計采用 硬件描述語言VHDL在軟件開發(fā)平臺ISE上完成。該設(shè)計的頻率計 有三種閘門選擇，分別是1s、0.1s、0.01s，能較準(zhǔn)確的測量頻率在 10Hz到10MHz之間的信號。使用 ModelSim仿真軟件對各個模塊的 VHDL程序做了仿真，對各個模塊的功能進(jìn)行了測試，并完成了綜合 布局布線，最終下載到芯片上取得了良好測試效果。關(guān)鍵詞：VHDL頻率計、FPGA 測量目錄第一章 引言 錯誤！未定義書簽。第二章 基于FPGA的VHDL設(shè)計流程 3

2、2.1 概述 32.2 VHDL語言和 VErilogHDL介紹 32.2.1 VHDL 的特點(diǎn) 42.3 FPGA介 紹 5第三章數(shù)字頻率計的軟件開發(fā)環(huán)境 錯誤！未定義書簽。3.1開發(fā)環(huán)境 63.2 MddeSm 介紹 63.3 ISE 介紹 5第四章數(shù)字頻率計的設(shè)計與實(shí)現(xiàn) 74.1 任務(wù)要求 74.2測量原理 錯誤！未定義書簽。4.3設(shè)計方案與系統(tǒng)需求 74.4各模塊的功能及實(shí)現(xiàn) 94.4.1 分頻器 94.4.2 閘門選擇器 104.4.3 測頻控制器 錯誤！未定義書簽。4.4.4 計數(shù)器 錯誤！未定義書簽。4.4.5 鎖存器 錯誤！未定義書簽。4.4.6 顯示控制系統(tǒng) 錯誤！未定義書簽

3、。4.5分配引腳和下載實(shí)現(xiàn) 錯誤！未定義書簽。4.6誤差分析 錯誤！未定義書簽。第五章實(shí)驗(yàn)結(jié)論及總結(jié) 19參考文獻(xiàn)20致謝 21附錄 錯誤！未定義書簽。第一章、引言硬件描述語言（英文： Hardware Description Lan guage，簡稱：HDL ）是電子系統(tǒng)硬件行為描述、結(jié)構(gòu)描述、數(shù)據(jù)流描述的語言。利用這種語言，數(shù)字 電路系統(tǒng)的設(shè)計可以從頂層到底層（從抽象到具體）逐層描述自己的設(shè)計思想， 用一系列分層次的模塊來表示極其復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)。以硬件描述語言（Verilog或VHDL所完成的電路設(shè)計，可以經(jīng)過簡單的綜 合與布局，快速的燒錄至FPGA上進(jìn)行測試，是現(xiàn)代IC設(shè)計驗(yàn)證的技術(shù)主流

4、。 這些可編輯元件可以被用來實(shí)現(xiàn)一些基本的邏輯門電路（比如AND OR XORNOT或者更復(fù)雜一些的組合功能比如解碼器或數(shù)學(xué)方程式。在大多數(shù)的FPGA里面，這些可編輯的元件里也包含記憶元件例如觸發(fā)器（Flip - flop ）或者其他更加完整的記憶塊。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量方案、 測量結(jié)果都有十分密切的關(guān)系，因此，頻率的測量就顯得更為重要。所謂“頻率”， 就是周期信號在單位時間（秒）內(nèi)變化的次數(shù)，若在一定的時間間隔T內(nèi)計得某 周期信號的重復(fù)變化次數(shù)為N,則該信號的頻率為f = N。測量頻率的方法有多T種，其中電子計數(shù)器測量頻率具有精度高、使用方便、測量迅速

5、，以及便于實(shí)現(xiàn) 測量過程自動化等優(yōu)點(diǎn)，是頻率測量的重要手段之一。電子計數(shù)器測頻有兩種方 式: 一是直接測頻法，即在一定閘門時間內(nèi)測量被測信號的脈沖個數(shù)；二是間接測頻法，如周期測頻法。直接測頻法適用于高頻信號的頻率測量，間接測頻法適用于低頻信號的頻率測量。本文使用的是直接測頻法。第二章、基于FPGA勺VHDI設(shè)計流程2.1 概述頻率計的基本原理是用一個頻率穩(wěn)定度高的頻率源作為基準(zhǔn)時鐘， 對比測量 其他信號的頻率。通常情況下計算每秒內(nèi)待測信號的脈沖個數(shù)，此時我們稱閘門 時間為1秒。閘門時間也可以大于或小于一秒。 閘門時間越長，得到的頻率值就 越準(zhǔn)確，但閘門時間越長則沒測一次頻率的間隔就越長。 閘門

6、時間越短，測的頻 率值刷新就越快，但測得的頻率精度就受影響。本文中，數(shù)字頻率計是用數(shù)字顯 示被測信號頻率的儀器，限于實(shí)驗(yàn)條件等，被測信號只能是方波。數(shù)字頻率計是數(shù)字電路中的一個典型應(yīng)用，實(shí)際的硬件設(shè)計用到的器件較 多，連線比較復(fù)雜，而且會產(chǎn)生比較大的延時，造成測量誤差、可靠性差。頻率 計的設(shè)計有傳統(tǒng)方法和現(xiàn)代方法， 傳統(tǒng)的設(shè)計方法耗時耗功，設(shè)計強(qiáng)度大，且容 易出錯，設(shè)計的質(zhì)量不一定是最好的。自然我們考慮到現(xiàn)代方法，即二十世紀(jì)八 十年代興起的電子設(shè)計自動化技術(shù)，英文為Electro nic Design Auto ，縮寫為EDA在EDA設(shè)計工具中，用的最廣泛的是 VHDL和VERILOG當(dāng)然還有

7、其它的， 例如sopc。比較VHDI和VERILOG在頂層設(shè)計方面 VHDL優(yōu)于VERILOG在門級 電路設(shè)計方面VERILOG優(yōu)于VHDL隨著復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD的廣泛應(yīng) 用，以EDA工具作為開發(fā)手段，運(yùn)用 VHDL語言，將使整個系統(tǒng)大大簡化，提高 整體的性能和可靠性。本次的頻率計設(shè)計主要是頂層設(shè)計，目的是設(shè)計6位十進(jìn) 制頻率計，學(xué)習(xí)常用的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計方法。采用VDHL編程設(shè)計實(shí)現(xiàn)的數(shù)字頻率計，除被測信號的整形部分、鍵輸入部分以外，其余全部在一片F(xiàn)PGA芯片上實(shí)現(xiàn)，整個系統(tǒng)非常精簡，而且具有靈活的現(xiàn)場可更改性。 在不更改硬件電路的基 礎(chǔ)上，對系統(tǒng)進(jìn)行各種改進(jìn)還可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的性能

8、。該數(shù)字頻率計具有高 速、精確、可靠、抗干擾性強(qiáng)和現(xiàn)場可編程等優(yōu)點(diǎn)。2.2 VHDL 語言和 Verilog HDL 介紹VHDL誕生于1982年。在1987年底，VHDL被 IEEE和美國國防部確認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)硬 件描述語言。自IEEE公布了 VHDL的標(biāo)準(zhǔn)版本，IEEE-1076 （簡稱87版）之后， 各EDA公司相繼推出了自己的 VHDL設(shè)計環(huán)境，或宣布自己的設(shè)計工具可以和 VHDL接口。此后VHDL在電子設(shè)計領(lǐng)域得到了廣泛的接受，并逐步取代了原有的 非標(biāo)準(zhǔn)的硬件描述語言。而 Verilog HDL是由 GDA（GatewaQesign Automation） 公司的PhilMoorby在19

9、83年末首創(chuàng)的，最初只設(shè)計了一個仿真與驗(yàn)證工具， 之 后又陸續(xù)開發(fā)了相關(guān)的故障模擬與時序分析工具。1985年Moorby推出它的第三個商用仿真器Verilog-XL,獲得了巨大的成功，從而使得 Verilog HDL迅速得到推廣應(yīng)用。1989年CADENC公司收購了 GDA公司，使得VerilogHDL成為了該公 司的獨(dú)家專利。1990年CADENC公司公開發(fā)表了 Verilog HDL,并成立LVI組織 以促進(jìn) Verilog HDL 成為 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)，即 IEEE Standard 1364-1995。由于 GDA 公司本就偏重于硬件，所以不可避免地Verilog HDL就偏重于硬件一

10、些，故Verilog HDL的底層統(tǒng)合做得非常好。而 VHDL的邏輯綜合就較之 Verilog HDL 要出色一些。所以，Verilog HDL作重強(qiáng)調(diào)集成電路的綜合，而 VHDL強(qiáng)調(diào)于組 合邏輯的綜合。2.2.1 VHDL的特點(diǎn)VHDL是一種用普通文本形式設(shè)計數(shù)字系統(tǒng)的硬件描述語言，主要用于描述數(shù) 字系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、行為、功能和接口，可以在任何文字處理軟件環(huán)境中編輯。除了 含有許多具有硬件特征的語句外，其形式、描述風(fēng)格及語法十分類似于計算機(jī)高 級語言。VHDL程序?qū)⒁豁椆こ淘O(shè)計項目（或稱設(shè)計實(shí)體）分成描述外部端口信 號的可視部分和描述端口信號之間邏輯關(guān)系的內(nèi)部不可視部分，這種將設(shè)計項目分成內(nèi)、外

11、兩個部分的概念是硬件描述語言 （HDL）的基本特征。當(dāng)一個設(shè)計項 目定義了外部界面（端口），在其內(nèi)部設(shè)計完成后，其他的設(shè)計就可以利用外部 端口直接調(diào)用這個項目。VHDL的主要特點(diǎn)如下：（1）作為HDL的第一個國際標(biāo)準(zhǔn)，VHDL具有很強(qiáng)的可移植性。2）具有豐富的模擬仿真語句和庫函數(shù)，隨時可對設(shè)計進(jìn)行仿真模擬，因而能 將設(shè)計中的錯誤消除在電路系統(tǒng)裝配之前， 在設(shè)計早期就能檢查設(shè)計系統(tǒng)功能的 可行性，有很強(qiáng)的預(yù)測能力。（3）VHDL有良好的可讀性，接近高級語言，容易理解。（4）系統(tǒng)設(shè)計與硬件結(jié)構(gòu)無關(guān)，方便了工藝的轉(zhuǎn)換，也不會因工藝變化而使描 述過時。（5）支持模塊化設(shè)計，可將大規(guī)模設(shè)計項目分解成若干

12、個小項目，還 可以把已有的設(shè)計項目作為一個模塊調(diào)用。6）對于用VHDL完成的一個確定設(shè)計，可以利用 EDA工具進(jìn)行邏輯綜合和 優(yōu)化，并能自動地把VHDL描述轉(zhuǎn)變成門電路級網(wǎng)表文件。（7）設(shè)計靈活，修改方便，同時也便于設(shè)計結(jié)果的交流、保存和重用，產(chǎn)品開 發(fā)速度快，成本低。VHDL是一種快速的電路設(shè)計工具，其功能涵蓋了電路描述、電路合成、電路仿 真等設(shè)計工作。VHDL具有極強(qiáng)的描述能力，能支持系統(tǒng)行為級、寄存器傳輸級 和邏輯門電路級三個不同層次的設(shè)計，能夠完成從上層到下層（從抽象到具體） 逐層描述的結(jié)構(gòu)化設(shè)計思想。用VHDL設(shè)計電路主要的工作過程是：1）編輯。用文本編輯器輸入設(shè)計的源文件（為了提高

13、輸入效率，可用某些專用 編輯器）。2）編譯。用編譯工具將文本文件編譯成代碼文件，并檢查語法錯誤。3）功能仿真（前仿真）。在編譯前進(jìn)行邏輯功能驗(yàn)證，此時的仿真沒有延時， 對于初步的功能檢測非常方便。4）綜合。將設(shè)計的源文件用自動綜合工具由語言轉(zhuǎn)換為實(shí)際的電路圖（門電路 級網(wǎng)表），但此時還沒有在芯片中形成真正的電路， 就好像是把設(shè)計者腦海中的 電路畫成了原理圖。5）布局、布線。用已生成的網(wǎng)表文件，再根據(jù) CPLD （或FPGA）器件的容量 和結(jié)構(gòu)，用自動布局布線工具進(jìn)行電路設(shè)計。 首先根據(jù)網(wǎng)表文件內(nèi)容和器件結(jié)構(gòu) 確定邏輯門的位置，然后再根據(jù)網(wǎng)表提供的門連接關(guān)系，把各個門的輸入輸出連 接起來，類似于

14、設(shè)計 PCB （印刷電路板）時的布局布線工作。最后生成一個供 器件編程（或配置）的文件，同時還會在設(shè)計項目中增加一些時序信息，以便于 后仿真。6）后仿真（時序仿真）。這是與實(shí)際器件工作情況基本相同的仿真，用來確定 設(shè)計在經(jīng)過布局、布線之后，是否仍能滿足設(shè)計要求。如果設(shè)計的電路時延滿足 要求，則可以進(jìn)行器件編程（或配置）。2.3 FPGA 介紹FPGA（Field Programmable Gate Array ），即現(xiàn)場可編程門陣列，它是在 PAL GAL CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成 電路（ASIC）領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又

15、 克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。傳統(tǒng)的電路設(shè)計過程是：先畫原理圖、把原理圖繪制成印制電路板圖、 再制 版、安裝、調(diào)試。有了 FPG A我們只需要在計算機(jī)上繪出原理圖，再運(yùn)行相應(yīng) 的軟件，就可把所設(shè)計的邏輯電路在 FPG/中實(shí)現(xiàn)。所有步驟均可自動完成。電 子設(shè)計工程師自己設(shè)計專用集成電路成為了一件很容易的事情。FPGA作為專用集成電路（ASIC）概念上的一個新型范疇和門類，以其高度 靈活的用戶現(xiàn)場編程方式，現(xiàn)場定義高容量數(shù)字單片系統(tǒng)的能力，能夠重復(fù)定義、 反復(fù)改寫的新穎功能，為復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計、研制以及產(chǎn)品開發(fā)提供了有效的技 術(shù)手段。電子應(yīng)用設(shè)計工程師應(yīng)用 FPGA技術(shù)不僅可避免通常

16、ASIC單片系統(tǒng)設(shè)計 周期長，前期投資風(fēng)險大的弱點(diǎn)，而且克服了過去板級通用數(shù)字電路應(yīng)用設(shè)計的 落后，繁瑣和不可靠性。目前FPGA勺兩個重要發(fā)展與突破是，大多數(shù)廠商在其高端器件上都提供了 片上的處理器（如 CPU DSP等硬核（Hard Core）或固化核（Fixed Core ）。 比如 Xilinx 的 Virtex II Pro芯片可以提供 Power PC,而 Altera 的 Stratix、Excalibur等系列芯片可以提供Nios、DSP和Arm等模塊。在FPGAh集成微處 理器，使SOP（設(shè)計更加便利與強(qiáng)大。另一個發(fā)展是在不同器件商推出的高端芯 片上大都集成了高速串行收發(fā)器，一

17、般能夠達(dá)到3Gb/s以上的數(shù)據(jù)處理能力，在 Xilinx、Altera、Lattice都有相應(yīng)的器件型號提供該功能。這些新功能使FPGA的數(shù)據(jù)吞吐能力大幅度增強(qiáng)。第三章、數(shù)字頻率計的軟件開發(fā)環(huán)境本章主要介紹項目中將要用到了一系列軟件，包括用于VHDL語言編寫和編譯的ISE軟件和用于程序仿真的仿真軟件 ModelSim。3.1開發(fā)環(huán)境隨著可編程器件紛紛超越百萬門級，設(shè)計者面臨的產(chǎn)品性能與設(shè)計效率的挑 戰(zhàn)也越來越大。設(shè)計者必須合理選擇各EDA廠家提供的加速設(shè)計的工具軟件，這 樣才能在較短的時間內(nèi)設(shè)計出高效穩(wěn)定的產(chǎn)品。 在本次設(shè)計中，由于選擇的FPGA 芯片是由Xilinx公司生產(chǎn)的，所以我們主要使

18、用ModelSim和ISE軟件進(jìn)行仿真 和綜合。3.2 ModelSim 介紹Mentor公司的ModelSim是業(yè)界最優(yōu)秀的HDL語言仿真軟件，它能提供友好 的仿真環(huán)境，是業(yè)界唯一的單內(nèi)核支持 VHDL和Verilog混合仿真的仿真器。它 采用直接優(yōu)化的編譯技術(shù)、Tcl/Tk技術(shù)、和單一內(nèi)核仿真技術(shù)，編譯仿真速度 快，編譯的代碼與平臺無關(guān)，便于保護(hù)IP核，個性化的圖形界面和用戶接口， 為用戶加快調(diào)錯提供強(qiáng)有力的手段，是 FPGA/ASIC設(shè)計的首選仿真軟件。ModelSim完全支持VHDL和 Verilog標(biāo)準(zhǔn)；采用直接編輯技術(shù)，大大提高HDL 編譯和仿真速度。還可以利用 ModelSim調(diào)

19、用設(shè)計文件進(jìn)行仿真分析。在調(diào)試環(huán) 境中，設(shè)計者可以通過ModelSim的快速調(diào)試步驟以及對各種信號的監(jiān)控功能 （無 論信號處于VHDL層，還是處于混合語言層）使仿真的執(zhí)行過程形象直觀化，幫 助設(shè)計者及時發(fā)現(xiàn)漏洞，縮短設(shè)計周期。ModelSim最大的特點(diǎn)是其強(qiáng)大的調(diào)試功能：先進(jìn)的數(shù)據(jù)流窗口，可以迅速 追蹤到生產(chǎn)不定或者錯誤狀態(tài)的原因； 性能分析工具幫助分析性能瓶頸，加速仿 真；代碼覆蓋率檢查確保測試的完備；多種模式的波形比較功能；先進(jìn)的SignalSpy功能，可以方便地訪問VHDI或者VHDL和 Verilog混合設(shè)計中的底層 信號；支持加密IP;可以實(shí)現(xiàn)與Matlab的Simulink的聯(lián)合仿

20、真。3.3 ISE介紹ISE的主要功能包括設(shè)計輸入、綜合、仿真、實(shí)現(xiàn)和下載，涵蓋了可編程邏輯器件開發(fā)的全過程，從功能上講，完成CPLD/FPG的設(shè)計流程無需借助任何第 三方EDA軟件。下面簡要說明各功能的作用：設(shè)計輸入：ISE提供的設(shè)計輸入工具包括用于 HDLL弋碼輸入和查看報告的ISE 文本編輯器(The ISE Text Editor )，用于原理圖編輯的工具 ECS ( The Engineering Capture System )，用于生成 IP Core 的 Core Generator，用于 狀態(tài)機(jī)設(shè)計的StateCAD以及用于約束文件編輯的 Constraint Editor

21、等。綜合：ISE的綜合工具不但包含了 Xilinx自身提供的綜合工具XST同時還 可以內(nèi)嵌 Mentor Graphics 公司的 Leonardo Spectrum 和 Synplicity 公司的 Synplify，實(shí)現(xiàn)無縫鏈接。仿真：ISE本身自帶了一個具有圖形化波形編輯功能的仿真工具HDLBencher，同時又提供了使用 Model Tech公司的Modelsim進(jìn)行仿真的接口。實(shí)現(xiàn)：此功能包括了翻譯、映射、布局布線等，還具備時序分析、管腳指定 以及增量設(shè)計等高級功能。下載：下載功能包括了 BitGen，用于將布局布線后的設(shè)計文件轉(zhuǎn)換為位流文件，還包括了 IMPACT功能是進(jìn)行芯片配置

22、和通信，控制將程序燒寫到FPGA芯片中去。第四章、數(shù)字頻率計的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)4.1任務(wù)要求本實(shí)驗(yàn)核心任務(wù)是完成基于FPGA利用VHDL語言設(shè)計一個數(shù)字頻率計的設(shè)計， 仿真，下載實(shí)現(xiàn)并實(shí)際測量效果。具體要求是：頻率測量范圍為10Hz10MHz用6只數(shù)碼管以kHz為單位顯示測量結(jié)果；有三個帶鎖按鍵開關(guān) （任何時候都只 會有一個被按下）用來選擇1S 0.1S和0.01S三個閘門時間中的一個,若按下兩 個及以上或者不選擇則隨意顯示；有兩只 LED 一只的亮滅用來顯示閘門信號高 低電平，另一只當(dāng)計數(shù)器溢出時做溢出指示。4.2測量原理頻率計的基本原理是用一個頻率穩(wěn)定度高的頻率源作為基準(zhǔn)時鐘，對比測量 其他信號

23、的頻率。通常情況下計數(shù)每秒內(nèi)待測信號的脈沖個數(shù)，此時我們稱閘門 時間為1S,閘門時間也可以大于或小于1S。閘門時間越長，得到的頻率值就準(zhǔn) 確，但閘門時間越長則每測一次頻率的間隔就越長；閘門時間越短，測得頻率值刷新就越快，但測得的頻率精準(zhǔn)度就受影響。4.3設(shè)計方案與系統(tǒng)需求由電子計數(shù)器頻率測量基本原理可知，測頻功能實(shí)現(xiàn)需要脈沖形成電路、閘門、 十進(jìn)制電子計數(shù)器、門控電路、時基信號發(fā)生器。被測信號輸入圖4.1 實(shí)驗(yàn)原理框架從圖4.1中可知，所設(shè)計的頻率計需要6個模塊，分別是：分頻器、閘門選擇 器、測頻控制器，計數(shù)器、鎖存器以及顯示模塊。核心板硬件結(jié)構(gòu)如下圖所示:結(jié)合實(shí)際實(shí)驗(yàn)板的硬件條件，可以利用E

24、DA軟件和VHDL語言在EEC-FPG實(shí)驗(yàn) 板上完成頻率計的數(shù)字部分的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)。Fpga實(shí)驗(yàn)板如圖4-2所示：圖4.2 EDA實(shí)驗(yàn)板從圖4.1和圖4.2可知，如果以此實(shí)驗(yàn)板做為頻率計的硬件實(shí)現(xiàn)， 可以使用 50Mhz的有源晶振作為時基信號發(fā)生器，但是測量需要的時基信號為 1S、0.1S、 0。01S,因此需要進(jìn)行分頻，另外計數(shù)器的輸出結(jié)果可以使用數(shù)碼管顯示，需要一個1KHz的掃描信號，也可由晶振分頻得到，脈沖形成電路可以使用模擬電路， 另外為了使數(shù)碼管能夠穩(wěn)定顯示，在輸出之前加一個鎖存器，閘門選擇可以使用 實(shí)驗(yàn)板上的撥碼開關(guān)得到。至此可以確定，可以在EEC-FPG實(shí)驗(yàn)板實(shí)現(xiàn)的數(shù)字電路部分為分

25、頻器、計數(shù)器、鎖存器、測頻控制、閘門選擇、數(shù)碼管掃描顯示控 制子系統(tǒng)，這些模塊之間的關(guān)系如圖 4.1所示。放大整形電路（模擬電路）：放大被測信號并將其整形為方波脈沖，該方波 脈沖經(jīng)過閘門后送計數(shù)器計數(shù)。石英振蕩器：產(chǎn)生一個頻率高度穩(wěn)定的信號送分頻器分頻。分頻器：對石英振蕩器產(chǎn)生的信號進(jìn)行分頻，得到100Hz、10Hz和1Hz三個基準(zhǔn)頻率；同時產(chǎn)一個1000Hz的信號作為掃描顯示譯碼模塊的時鐘，以產(chǎn)生掃 描選擇信號。門控電路：產(chǎn)生控制信號門控電路在時間基準(zhǔn)信號的控制下產(chǎn)生門控信號GATE門控信號有效時，閘門開通，計數(shù)器計數(shù)。當(dāng)門控信號停止作用時，閘門 關(guān)斷。為了使計數(shù)結(jié)果能夠在顯示器上穩(wěn)定的顯示

26、，閘門關(guān)斷后門控電路要產(chǎn)生一個鎖存命令Latch使鎖存器鎖存計數(shù)結(jié)果。在計數(shù)結(jié)果鎖存以后，下一次計數(shù) 開始以前，門控電路還要產(chǎn)生一個清零信號 CLEAR各計數(shù)器清零，以便重新計數(shù)。 4.4各模塊的功能及實(shí)現(xiàn)4.4.1 分頻器分頻器的功能是提供標(biāo)準(zhǔn)閘門時間控制信號以精確控制計數(shù)器的開閉。由于 閘門時間只有1S，0.1S，0.01S三檔，且在數(shù)碼管顯示時采用動態(tài)掃描的方法， 需要產(chǎn)生1kHz的掃描信號，由于本設(shè)計將下載到開發(fā)板上，其提供的標(biāo)準(zhǔn)時間 是50MHz晶振，所以要對系統(tǒng)的50MHz寸鐘信號進(jìn)行分頻，以產(chǎn)生符合要求的各 頻率信號：先由系統(tǒng)時鐘50M Hz分頻出1kHz作為數(shù)碼管顯示的動態(tài)掃描

27、信號， 再由1kHz分頻出100Hz產(chǎn)生0.01S的計數(shù)閘門信號脈沖，由100Hz分頻出10Hz 產(chǎn)生0.1S的計數(shù)閘門信號脈沖，由10Hz分頻出1Hz產(chǎn)生1S的計數(shù)閘門信號脈 沖。同時給整個系統(tǒng)定義系統(tǒng)復(fù)位。由以上分析，可分頻器模塊如下圖所示：這個模塊實(shí)現(xiàn)了把50MHZ的晶振信號分成了我們需要的四個信號 1Hz, 10Hz, 100Hz, 1KHz因?yàn)榉抡鎴D需經(jīng)過50000個周期clk_1kHz才能出現(xiàn)一次上升沿，無法準(zhǔn)確顯 示50000次，故而仿真圖略。442 閘門選擇器該模塊的功能是根據(jù)開關(guān)sw(2:0 )的不同輸入，實(shí)現(xiàn)對輸入的幾個閘門信號 fdiv_in、fdiv_in10、fdiv

28、_in100 的手動選擇，輸出被選中的閘門信號fdiv_out 和小數(shù)點(diǎn)的控制信號dp_loc(2:0)。生成的模塊如下圖所示：gate selectorf_reffd i v J nfdiv_outfdiv in 10u1fdiv_in100 -sw(2:0)dpoc(2:0)I該模塊有四個輸入端口，其中sw(2:0)為選擇端，fdiv_in 、fdiv_in10、fdiv_in100為被選時基信號輸入端。當(dāng)sw為001時，1hz的輸入時基信號被選 中，被賦值給輸出端口 fdiv_out輸出，此時dp_loc為011；當(dāng)sw為010時， 10hz時基信號被選中，被賦值給輸出端口 fdiv_o

29、ut輸出，此時dp_loc為010； 最后當(dāng)sw為100時，100hz時基信號被選中，被賦值給輸出端口 fhz輸出，此 時 dp_loc 為 001。仿真圖如圖4-8所示：9KiKM-1叩F莎* “h AmjEluF知(,1丄 tes.jdtnf.fj：.1 PU：01.:LIK|11:鈿：u443 測頻控制器測頻控制器是控制整個頻率計各模塊進(jìn)行時序工作的控制裝置， 它對輸入的標(biāo) 準(zhǔn)時鐘信號fdiv_in 進(jìn)行變換，產(chǎn)生我們所需要的三個信號閘門信號 counter_en_out，鎖存信號 latch_en_out 以及清零信號 count_reset_out。其 生成的模塊如下圖所示：一一一

30、一controlfdivjn counter_en_outcoun ter_reset_outu2 latcn en outr測頻控制器的計數(shù)使能信號fdiv_in能產(chǎn)生一個周期信號，并對頻率計的計數(shù)器 使能端進(jìn)行同步控制。當(dāng)fdiv_in為高電平時，允許計數(shù)，為低電平時停止計數(shù)， 并保持其所計得脈沖數(shù)。在停止計數(shù)期間，首先需要一個鎖存信號latch_en_out 的上升沿將計數(shù)器在前一秒的計數(shù)值鎖存進(jìn)24位鎖存器latch_en_out中，并經(jīng)過顯示模塊顯示。鎖存信號之后，必須有一清零信號count_reset_out對計數(shù)器 清零，為下一秒的計數(shù)操作準(zhǔn)備。測頻控制信號發(fā)生器的仿真工作時序如

31、下圖所示。如果閘門信號fdiv_in的頻率取100Hz那么信號fdiv_in的脈寬恰好為0.01S，可以用作計數(shù)閘門信號，而選擇其他閘門信號時也類似。然后根據(jù)測頻 的時序要求，可得出信號latch_en_out和count_reset_out的邏輯描述。由圖 可見，在計數(shù)完成后，即計數(shù)使能信號fdiv_i n在1S的高電平后，利用其反相值產(chǎn)生一個鎖存信號latch_en_out ，由于反相器的器件延時，鎖存信號的上升 沿是在計數(shù)使能信號即閘門信號fdiv_i n的下降沿之后，即是計數(shù)完了才鎖存的，符合我們的設(shè)計要求。而清零信號count_reset_out的上升沿的產(chǎn)生是在下 一個fdiv_i

32、n信號上升沿來臨之前，也就是說是清了零才開始計數(shù)的，不是計了 一會兒數(shù)再被清零了繼續(xù)計數(shù)，這也是與我們的設(shè)計要求相符合的。444計數(shù)器由于要求頻率計的顯示為十進(jìn)制六位，所示我們設(shè)計的是使能端的十進(jìn)制計數(shù) 器，所生成的模塊如圖所示：其中clr是清零端，enc是計數(shù)信號輸入端，fx為被測信號輸入端，進(jìn)位輸出作為溢出標(biāo)志用over來表示，用以顯示計數(shù)器計數(shù)是否溢出。計數(shù)器的仿真圖如下圖所示:忙：!)jjiuiircI iliji IWI |J昨$期一丄一丄一ULJL二1/二匚皿1弓r弓養(yǎng)計IJJU E J .：)behe從上圖可知計數(shù)器符合我們設(shè)計的要求。445 鎖存器如果計數(shù)器輸出直接與譯碼器相連

33、接，那么在計數(shù)過程中輸出端則隨輸入脈沖 數(shù)的增加而不斷跳變，那么顯示數(shù)碼管則也會不斷閃爍跳變， 讓人不能看到穩(wěn)定的輸出，設(shè)鎖存器后，則不再跳變，便可清晰讀出計數(shù)結(jié)果。由控制模塊產(chǎn)生的 latch信號來提供鎖存脈沖。其生成的功能模塊如下圖所示：31(3:0)2(3:0),J13(3:0)I4(3:0)5(3:0)=6(3:0”這模塊實(shí)現(xiàn)了對六位計數(shù)結(jié)果和溢出信號 overn的鎖存功能。即鎖存信號的上 升沿來時送數(shù)，其它時候則保持不變。仿真圖如下所示：卜.jkuhfujti 卜占郵AjiS 莎 tUiin.nlHl匂M幣 X .bfchnH加1勁Illi11 .sfchj*Ti!B,nn D暮鮒治

34、期 n- 訪-.(肌一U- x feldu.kfi1KCjwgT-INg詞mHU1446掃描顯示控制系統(tǒng)本模塊通過用一個頻率1KHz的信號來掃描一個多路選擇器，實(shí)現(xiàn)對六位已經(jīng) 鎖存的計數(shù)結(jié)果的掃描輸出，由于 1KHz相對了人眼的暫留效應(yīng)已經(jīng)很高了，所 以顯示結(jié)果不會讓人感覺到閃爍。這樣就可以在程序中實(shí)現(xiàn)對六個 4位二進(jìn)制數(shù) 的譯碼。譯碼結(jié)果再和段選碼結(jié)合，同樣由1KHz的信號來同步掃描選通。最后的輸出全部通過下載前的固定引腳連接到 LED顯示管上。實(shí)現(xiàn)最終結(jié)果的數(shù)字顯 示。輸入端包括掃描信號1KHz由前小數(shù)點(diǎn)指示信號dp_loc(2:0)以及鎖存器的輸出結(jié)果。其生成的模塊圖如下所示：displ

35、ayelkd p_outdpjoc(2:0)num_in 1(3:0)u5num_in 2(3:0)Ied_position_out(5:0)num_in 3(3:0)num_in4(3:0)numa 5(3:0)numjin6(3:0)led_out(6:0)仿真圖如下所示:fv羈皿:DMe阿lIMIImln列剛pLIJQ：210tJXM臥 &ifepfe-.Wran閔1LLIJliwmMlMlM-ElMJS.11T4.5 分配引腳和下載實(shí)現(xiàn)全部仿真通過后，就運(yùn)行ISE的設(shè)計實(shí)現(xiàn)，然后分配引腳，即實(shí)現(xiàn)設(shè)計的輸入 輸出端口與實(shí)際芯片的輸入輸出端口的對應(yīng)連接。比如六段LED管的控制信號就 連接到

36、實(shí)際電路的六個引腳。需要注意的是一些端口是固定的，不能胡亂的連接。 外部信號輸入只能由外部信號源接口輸入，同時還要考慮內(nèi)部的可配制邏輯塊一 切都準(zhǔn)備就緒后就可以運(yùn)行 Con figure Device ，選擇要下載的位文件（.bit ） 便可開始下載了。管腳分配文件也在附錄中給出，僅供參考4.6 誤差分析在實(shí)際測量中，輸入10MHz的方波，顯示為09.9998MHz調(diào)低一檔，若要顯 示999.999kHz則需要輸入1.00001MHz若在1Hz檔，將輸入方波的頻率逐漸增 加，增加到約為800kHz時，最后一位開始閃爍，隨著頻率的不斷增加，輸入頻率與顯示的差距逐漸增大。1Hz檔測得數(shù)據(jù)如下：輸入

37、（Hz）輸出（kHz）1000.00110000.010100000.1001000001.00010000010.000100000099.999800000800.0011000001999.9991000002溢出10Hz檔測得的數(shù)據(jù):輸入（Hz）輸出（kHz）100000.011000000.1010000001.00100000010.001000000100.0010000000999.9980000200800.01100000129999.9910000013溢出100Hz檔測得的數(shù)據(jù):輸入（Hz）輸出（kHz）10000000.1100000001.01000000010.0

38、10000000100.0100000001000.01000000009999.8下面我們來分析計數(shù)器測頻的測量誤差。從公式 f =以（4-1）可知，上述測頻T方法的測量誤差，一方面決定于閘門時間T，另一方面決定于計數(shù)器計得的數(shù)據(jù)。 根據(jù)誤差合成方法，從公式（4-1）可得：xN T(4-2)公式(4-2)中第一項是數(shù)字化儀器所特有的誤差，而第二項是閘門時間的相對 誤差，這項誤差決定于石英振蕩器所提供的標(biāo)準(zhǔn)頻率的準(zhǔn)確度。現(xiàn)分述如下。(1) 1誤差在測頻時，主門的開啟時刻與計數(shù)脈沖之間的時間關(guān)系是不相關(guān)的，所以它們 在時間軸上的相對位置是隨機(jī)的。 這樣，在相同的主門開啟時間內(nèi)，計數(shù)器所計得的數(shù)卻

39、不一定相同，當(dāng)主門開啟時間T接近甚至等于被測信號周期Tx的整數(shù)倍N倍時，此項誤差為最大，圖4-2畫出的就是這種情況。NTx嚴(yán)ZniwwuviL+騷3*ToiftnnnruwLIdI t厶T趟近于0圖4-2正負(fù)1誤差若主門開啟時刻為To，而第1個計數(shù)脈沖出現(xiàn)在Tx，圖4-2 (a)中示出了TxT0的情況( T二Tx -T。)，這時計數(shù)器計得N個數(shù)(圖中N=6);現(xiàn)在再來看圖4-2 (b)情況，即趨近于0,這就有兩種可能的計數(shù)結(jié)果：若第 1個計數(shù)脈沖 和第7個計數(shù)脈沖都能通過主門，則可計得N+1=7個數(shù)；也可能這兩個脈沖都沒 有能進(jìn)入主門，則只能計得N-仁5個數(shù)。由此可知，最大的計數(shù)誤差為個數(shù)。所

40、 以考慮到公式(4-1)，可寫成N -11=土N NTfx(4-3)式中T為閘門時間，為被測頻率。從公式(4-3)可知，不管計數(shù)值N多少，其 最大誤差總是土 1個計數(shù)單位，故稱“土 1個字誤差”，簡稱“土 1誤差”。而 且一定時，增大閘門時間T,可減小土 1誤差對測頻誤差的影響。當(dāng) T選定后， 越低，則由土 1誤差產(chǎn)生的測頻誤差越大。(2) 標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差閘門時間T準(zhǔn)不準(zhǔn)，主要決定于由石英振蕩器提供的標(biāo)準(zhǔn)頻率的準(zhǔn)確度，若石英振蕩器的頻率為，分頻系數(shù)為k，則所以.汀二fcfc(4-4)可見，閘門時間的準(zhǔn)確度在數(shù)值上等于標(biāo)準(zhǔn)頻率的準(zhǔn)確度，式中負(fù)號表示由引起的閘門時間的誤差為-AT。（3）結(jié)論綜上所述

41、,可得如下結(jié)論：即誤差和標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差。一般，總誤差可采計數(shù)器直接測頻的誤差主要有兩項: 用分項誤差絕對值合成，即(4-5)由以上公式可知：當(dāng)輸入頻率值為10000012HZ時，輸出頻率值為9999.99kHZ,誤差為:10000012-999999010000012100% =0.00022%當(dāng)輸入頻率值為10000000Hz時，輸出頻率值為09999.8Hz，其誤差為:10000000-999998010000000100% =0.0002%其余的相對誤差計算方法一樣，分析結(jié)果可見，誤差都在0.0002%左右，這個數(shù)很小，因此在一般精度的系統(tǒng)中，就可以應(yīng)用該頻率計來計數(shù)或測頻。第五章實(shí)驗(yàn)結(jié)論

42、及總結(jié)本文主要介紹了利用VHDL語言完成基于FPGA的數(shù)字頻率計的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)。詳 細(xì)介紹了測量原理，設(shè)計方案、各模塊的設(shè)計過程及其實(shí)現(xiàn)的功能，并對設(shè)計中遇到的問題作了分析和處理；利用ISE和ModelSim對設(shè)計進(jìn)行了仿真，分析， 綜合，并最終下載到FPGA芯片中，實(shí)現(xiàn)了對頻率的測量。(1) . 通過ISE綜合，ModelSim仿真，最終在EDA實(shí)驗(yàn)板上實(shí)現(xiàn)了 10Hz 10MHz 頻率計的設(shè)計，其誤差在0.01%數(shù)量級，能夠較為精確的測量頻率。(2) .當(dāng)頻率計值達(dá)到該檔量程最大測量值時，這時輸入頻率值再繼續(xù)增加，則會產(chǎn)生溢出，并且LED6會變亮表示計數(shù)器已經(jīng)溢出。(3) .在測量頻率過程中

43、我們應(yīng)當(dāng)選擇適當(dāng)?shù)臋n位， 使得測量結(jié)果更加精確，特 別是溢出信號LED亮的時候，一定要選擇更高檔位來進(jìn)行測量。而有時為了能更 精確的顯示頻率，也應(yīng)調(diào)低檔次來讀數(shù)。通過頻率計的設(shè)計試驗(yàn)，對頻率計有了更深的認(rèn)識，尤其是對頻率計的工作原 理以及各功能模塊的實(shí)現(xiàn)有深入了解。此外，還熟悉了Xili nx ISE 10.1i、ModelSim軟件的用法和VHDL/Verilog的編程環(huán)境，通過本次的設(shè)計培養(yǎng)自己的 實(shí)驗(yàn)動手能力。這是第一次利用VHDL語言來實(shí)現(xiàn)基于FPGA勺實(shí)際工程項目，所 以在實(shí)驗(yàn)過程中不可避免的遇到了很多問題。理論和實(shí)踐沒有有機(jī)的聯(lián)系起來， 導(dǎo)致出現(xiàn)各種錯誤。參考文獻(xiàn)1 .蔣煥文，孫續(xù)

44、電子測量（第二版）.中國計量出版社（中）2 . Volnei A. Pedroni. VHDL數(shù)字電路設(shè)計教程.電子工業(yè)出版社（巴西）.3 .姜立東.VHDL語言程序設(shè)計及應(yīng)用（第二版）.北京郵電出版社（中）.4 .湯山俊夫.數(shù)字電路設(shè)計與制作.科學(xué)出版社（日）.廖超平.EDA技術(shù).北京理工大學(xué)出版社（中）.孫航.Xilinx可編程邏輯器件的高級應(yīng)用與設(shè)計技巧.電子工業(yè)出版社（中）.致 謝在此，我首先向不辭辛勞，誨人不倦的老師一一老師，表示最衷心的感謝。本實(shí)驗(yàn)在系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)、代碼的編寫和調(diào)試過程中都得到了劉老師和皇老師 的悉心指導(dǎo)與指正。正是老師們的諄諄教導(dǎo)和熱心關(guān)懷使我較快的熟悉了如何使

45、 用硬件語言VHDL來實(shí)現(xiàn)項目的過程，并最終順利完成實(shí)驗(yàn)。同時，老師們嚴(yán)謹(jǐn) 的治學(xué)態(tài)度以及對工作的一絲不茍，也使我受益匪淺，終生難忘。特別感謝同學(xué)們在實(shí)驗(yàn)期間給予我的巨大幫助與支持。在此，謹(jǐn)向他們致以深 深的敬意和誠摯的感謝！附錄分頻器(50000分頻，即出來1kHz的脈沖)-Engin eer:-Create Date: 03/15/2015LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;en tity freque ncy_divider_50000 isport(f_in : in std_

46、logic;f_out : out std_logic);end freque ncy_divider_50000;architecture behav of freque ncy_divider_50000 issig nal count : stdo gic_vector(15 dow nto 0) := (others=0); beg inprocess(f_i n)begi nif f_in eve nt and f_in = 0 the nif cou nt = 49999 thencount 0);elsecount = count + 1; end if;end if;end p

47、rocess;f_out 0); beg inprocess(f_i n)begi nif f_in eve nt and f_in = 0 the nif count = 9 the ncount 0);elsecount = count + 1;end if;end if;end process;f_out fdiv_out = fdiv_i n; dp_loc fdiv_out = fdiv_in 10; dp_loc fdiv_out = fdiv_i n100; dp_loc fdiv_out = 0; dp_loc = 111; end case;end process;end o

48、ne;測頻控制器：LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;en tity con trol isport(fdiv_i n:i n std_logic;coun ter_e n_out:out std_logic:=0; coun ter_reset_out:out std_logic:=0; latch_en_out:out std_logic:=0);end con trol;architecture one of con tr

49、ol issig nal sig1,sig2:std_logic:=0;beg inprocess(fdiv_i n, sig1,sig2)begi nif risin g_edge(fdiv_i n) the nsig1=not sig1;end if;if falli ng_edge(fdiv_i n) the n sig2=not sig2;end if;end process;coun ter_e n_out=sig1;latch_e n_out=sig2;coun ter_reset_out=(not fdiv_i n)and(not sig1)a nd(sig2); end one

50、;計數(shù)器：-Compa ny:-Engin eer:-Create Date:16:32:10 03/18/2015-Desig n Name:-Module Name:count_6 - Behavioral-Project Name:-Target Devices:-Tool versi ons:-Descripti on:-Depe nden cies: -Revisi on:-Revision 0.01 - File Created-Additi onal Comme nts: library IEEE;use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;use IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;-Uncomment the following library declaration if using-arithmetic functions w