基于FPGA的數(shù)字頻率計實驗報告(能測占空比)

1、基于FPGA的數(shù)字頻率計設計學院：專業(yè)：班級：學號：審閱老師：評分：目錄一、課程設計目的3二、設計任務3三、功能要求與技術(shù)指標3四、數(shù)字頻率計工作原理概述4五數(shù)字頻率計實現(xiàn)方法4六結(jié)論與誤差分析11七VHDL程序：12一、課程設計目的熟悉EDA工具，掌握用VHDL語言進行數(shù)字系統(tǒng)設計的基本方法和流程，提高工程實踐能力。二、設計任務設計一數(shù)字頻率計，用VHDL語言描述，用QuartusII工具編譯和綜合，并在實驗板上實現(xiàn)。三、功能要求與技術(shù)指標1. 基本功能要求（1） 能夠測量出方波的頻率，其圍50Hz50KHz。（2） 要求測量的頻率絕對誤差±5Hz。（3） 將測量出的頻率以十進制格

2、式在實驗板上的4個數(shù)碼管上顯示。（4） 測量響應時間小于等于10秒。以上（1）（4）基本功能要求均需實現(xiàn)。2. 發(fā)揮部分（1） 提高測量頻率圍，如10Hz100KHz或更高、更低頻率，提高頻率的測量絕對值誤差，如達到±1Hz。（2） 可以設置量程分檔顯示，如X1檔（顯示圍1Hz9999Hz），X10檔（顯示圍0.001KHz9.999KHz），X100檔（顯示圍0.100KHz999.9KHz）.可以自定義各檔位的圍。量程選擇可以通過按鍵選擇，也可以通過程序自動選擇量程。（3） 若是方波能夠測量方波的占空比，并通過數(shù)碼管顯示。以上（1）（3）發(fā)揮功能可選擇實現(xiàn)其中的若干項。四、數(shù)字頻

3、率計工作原理概述1. 數(shù)字頻率計簡介在電子技術(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。而數(shù)字頻率計是采用數(shù)字電路制成的實現(xiàn)對周期性變化信號的頻率的測量。2. 常用頻率測量方法：方案一采用周期法。通過測量待測信號的周期并求其倒數(shù)，需要有標準倍的頻率，在待測信號的一個周期，記錄標準頻率的周期數(shù)，這種方法的計數(shù)值會產(chǎn)生最大為±1個脈沖誤差，并且測試精度與計數(shù)器中記錄的數(shù)值有關(guān)，為了保證測試精度，測周期法僅適用于低頻信號的測量。方案二采用直接測頻法。直接測頻法就是在確定的閘門時間，記錄被測信號的脈沖個數(shù)。由于閘門時間通

4、常不是待測信號的整數(shù)倍，這種方法的計數(shù)值也會產(chǎn)生最大為±1個脈沖誤差。進一步分析測量準確度：設待測信號脈沖周期為Tx,頻率為Fx，當測量時間為T=1s時，測量相對誤差為Tx/T=Tx=1/Fx。由此可知直接測頻法的測量準確度與信號的頻率有關(guān)：當待測信號頻率較高時，測量準確度也較高，反之測量準確度也較低。五數(shù)字頻率計實現(xiàn)方法本文采用方案二直接測頻法進行設計，具體實施方法如下：1. 直接測頻法：采用一個標準的基準時鐘，在單位閘門時間(1s)里對被測信號的脈沖數(shù)進行計數(shù)，即為信號的頻率。由于閘門時間通常不是待測信號的整數(shù)倍，這種方法的計數(shù)值也會產(chǎn)生最大為±1個脈沖誤差。進一步分析

5、測量準確度：設待測信號脈沖周期為Tx,頻率為Fx，當測量時間為T=1s時，測量相對誤差為Tx/T=Tx=1/Fx。由此可知直接測頻法的測量準確度與信號的頻率有關(guān)：當待測信號頻率較高時，測量準確度也較高，反之測量準確度也較低。2. 具體設計流程：1). 基本功能部分：（1）. 原理概述：利用FPGA實驗板的基準時鐘50M分頻產(chǎn)生一個1Hz的脈沖方波作為閘門信號；當待測信號的上升沿到來時，利用四個個十進制計數(shù)器（即最高能記到9999次數(shù)）對其上升沿進行計數(shù)；計數(shù)的同時不斷把數(shù)鎖存，并送到數(shù)碼管顯示部分顯示；當1Hz閘門信號的上升沿到來時，對鎖存送到顯示部分的數(shù)據(jù)用十進制顯示到四位數(shù)碼管，一旦顯示后

6、就把四個計數(shù)器的值清零，計數(shù)器重新對待測信號上升沿計數(shù)并鎖存，直到1Hz閘門信號的下個上升沿到來時在把這次閘門時間記到的數(shù)據(jù)送去數(shù)碼管顯示。如此循環(huán)，實現(xiàn)對不是固定頻率的待測信號的頻率每秒更新一次的功能。（2）設計原理時序圖：1Hz閘門信號然后計數(shù)器清零clr=1，重新計數(shù)鎖存計數(shù)值，并送數(shù)碼管顯示1秒時間寬度待測信號清零信號clr 2）. 擴展功能部分：（1）. 原理概述：一、分檔顯示部分在基本功能的計數(shù)部分增加至八個計數(shù)器（即最高能記到99.999999M次數(shù)）對待測信號上升沿進行計數(shù)；對記到的數(shù)據(jù)按優(yōu)先級由最高位往低位判斷，若第七位有進位，則表示第八個計數(shù)器有計數(shù)，故要鎖存最高四位計數(shù)器

7、容并送數(shù)碼管顯示，若為第六位數(shù)碼管有進位，則顯示次高四位計數(shù)器容，以此類推；判斷相應的檔位的同時給每個檔位一個變量賦值，用于判斷小數(shù)點的位置 。以KHZ為單位，則四位數(shù)碼管最高能顯示9999Khz。若顯示最高四位計數(shù)器容（即是X10000檔(1099.99MHZ)），由于已超出四位數(shù)碼管顯示圍,則可以用按鍵顯示最低四位計數(shù)器容，同時讓DS1（千位）數(shù)碼管小數(shù)點亮。如圖所示顯示的頻率為25MHZ（25000.000HZ）：未按鍵時顯示最高四位數(shù)字；按住按鍵S5顯示低四位數(shù)字若未超出四位數(shù)碼管顯示圍，則按照如下顯示小數(shù)點：X1000檔(19999khz)只顯示個位小數(shù)，X100檔(0.1999.9

8、khz)只顯示十位小數(shù)點，X10檔(0.0199.99khz)只顯示百位小數(shù)點，X10檔(0.0199.99khz)只顯示百位小數(shù)點，X1檔(0.0019.999khz)只顯示千位小數(shù)點。顯示效果如下圖所示：顯示頻率1953.13KHZ也可按住按鍵S5顯示其余低位顯示頻率6.103HZ（誤差±1HZ）顯示頻率6HZ二、占空比部分利用基準時鐘產(chǎn)生一個10MHZ的頻率用于標準計數(shù)信號；在1HZ閘門信號上升沿到來時，10MHZ計數(shù)信號開始計數(shù)，同時在待測信號為高電平時，用七個計數(shù)器對10MHZ信號的上升沿次數(shù)計數(shù)，低電平時不計數(shù)；當1HZ閘門信號的下個上升沿到來時，10MHZ計數(shù)信號剛好計

9、數(shù)10M次（1s時間），此時取待測信號高電平期間七個計數(shù)器的最高四位的數(shù)據(jù)鎖存并送數(shù)碼管顯示，顯示時數(shù)碼管DS2(百位)小數(shù)點亮，所得結(jié)果即為待測信號的占空比（單位為%），如下圖所示：按下按鍵 S6顯示占空比（50.00%）（2）. 測量占空比設計原理時序圖1Hz閘門信號計數(shù)器清零clr=1，重新計數(shù)高電平時才計數(shù)，并送數(shù)碼管顯示1秒時間寬度待測信號標準計數(shù)信號10MHZ計上升沿次數(shù)10M次（1s時間）六 結(jié)論與誤差分析1. 頻率測量部分：（1）. 結(jié)論：能測到待測信號的頻率圍理論上為1HZ99.999999MHZ，實際測試時最高只用過25MHZ的頻率進行測試，結(jié)果相差±1Hz，達到

10、設計要求。（2）. 誤差分析：由于采用直接測頻法，1S閘門時間通常不是待測信號的整數(shù)倍，因此計數(shù)值也產(chǎn)生最大為±1個脈沖誤差。設待測信號脈沖周期為Tx,頻率為Fx，當測量時間為T=1s時，測量相對誤差為Tx/T=Tx=1/Fx。所以，直接測頻法的測量準確度與信號的頻率有關(guān)：當待測信號頻率較高時，測量準確度也較高，反之測量準確度也較低。2. 占空比測量部分：（1）. 結(jié)論：高頻時對占空比在5%95%的待測信號測試誤差為±0.5%，最高能測試到25MHZ的占空比；在低頻時測量的占空比有較大誤差。（2）. 誤差分析：由于1S閘門時間用10MHZ的基準信號在待測信號的高電平是計數(shù)，

11、故誤差產(chǎn)生的原因有一下兩點：待測信號進入閘門的狀態(tài)隨機（可能是高電平，也可能是低電平），所以對高頻信號，測量到的占空比誤差比較?。粚Φ皖l信號誤差較為明顯，若進出閘門的狀態(tài)同為高電平，則在1S閘門時間對高電平的狀態(tài)就有多計數(shù)，結(jié)果偏高；若進出閘門的狀態(tài)同為低電平，則在1S閘門時間對高電平的狀態(tài)就少計數(shù)，結(jié)果偏低。待測信號進入閘門的狀態(tài)隨機，且1S閘門時間通常不是待測信號的整數(shù)倍，以10MHZ信號作為基準信號計數(shù)10M次上升沿作為待測信號在1S時間整數(shù)個周期的時間，本身只是個近似值，所以對高頻時誤差較小，低頻時有較大誤差。七VHDL程序：-*library ieee;use ieee.std_lo

12、gic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity frequency_meter isport(clk ,d0,d1:in std_logic;clkx:in std_logic;wei :out std_logic_vector(3 downto 0); led :out std_logic_vector(7 downto 0) );end entity frequency_meter;-*Architecture abcof frequency_meter issignal led1,led2,led3,led4 :std_logic_

13、vector(7 downto 0):="11000000" signal ge,shi,bai,qian :integer range 0 to 10:=0; signal clk_1 :std_logic :='1' signal clk_0,clk_1hz,clk_10m,freq12k: std_logic;signal temp: std_logic_vector(22 downto 0);begin-*p0*產(chǎn)生10mHZ頻率* p0:process(clk)isvariable counter0 :integer:=0; beginif (cl

14、k'event and clk='1' ) then counter0:=counter0+1; if (counter0=25) then clk_0<=not clk_0;counter0:=0; end if; end if; clk_10m<=clk_0; end process p0;-*p1*產(chǎn)生1HZ頻率* p1:process(clk)isvariable counter1 :integer:=0; beginif (clk'event and clk='1' ) then counter1:=counter1+1;

15、if (counter1=25000000) then clk_1<=not clk_1;counter1:=0; end if; end if; clk_1hz<=clk_1; end process p1;-*p2*分頻出12k頻率用于數(shù)碼管位選掃頻* p2:process(clk)isbeginif (clk'event and clk='1' ) then temp<=temp+1; end if; freq12k<=temp(11); -12207Hz end process p2;-*p3*主程序(顯示，分檔，占空比測量)* p3:p

16、rocess(clk,clk_1hz,clkx)isvariable counter2,counter3 :integer :=0;variable aa,bb,cc,dd,ee,ff,gg,hh,za,zb,zc,zd,ze,zf,c,d,e,f:integer range 0 to 10:=0;variable temp2,temp3,temp4,temp5:integer range 0 to 10:=0;variable dip0,dip1,dip2,dip3,dip4,dip5,dip6,dip7 :integer :=0;variable clr :integer:=0;begin

17、-*p3_1-計數(shù)顯示*-if(clkx'event and clkx='1')thenaa:=aa+1; if(aa=10)thenaa:=0;bb:=bb+1;if(bb=10)thenbb:=0;cc:=cc+1;if(cc=10)thencc:=0;dd:=dd+1;if(dd=10)thendd:=0;temp2:=1;-temp2ee:=ee+1;if(ee=10)thenee:=0;temp3:=1;-temp3ff:=ff+1;if(ff=10)thenff:=0;temp4:=1;-temp4gg:=gg+1;if(gg=10)thengg:=0;te

18、mp5:=1;-temp5hh:=hh+1;if(hh=10)thenhh:=0;end if;end if; end if;end if;end if;end if;end if;end if; -*p3_2-分檔顯示*-if(d0='0')then-按鍵按下顯示占空比，否則顯示頻率-ge<=c;shi<=d;bai<=e;qian<=f;dip2:=1;-只顯示百位小數(shù)點-elsif(d0='1')thenif(temp5=1)then-X10000檔（99.999999mhz）- -超出四個數(shù)碼管顯示圍,可以按鍵顯示-ge<=

19、ee;-最低四位，同時只顯示千位小數(shù)點-shi<=ff;bai<=gg;qian<=hh;dip5:=1;elsif(temp4=1)then-X1000檔(19999khz)只顯示個位小數(shù)點ge<=dd;shi<=ee;bai<=ff;qian<=gg;dip4:=1;elsif(temp3=1)then-X100檔(0.1999.9khz)只顯示十位小數(shù)點ge<=cc;shi<=dd;bai<=ee;qian<=ff;dip3:=1;elsif(temp2=1)then-X10檔(0.0199.99khz)只顯示百位小數(shù)點g

20、e<=bb;shi<=cc;bai<=dd;qian<=ee;dip2:=1;else-X1檔(0.0019.999khz)只顯示千位小數(shù)點ge<=aa;shi<=bb;bai<=cc;qian<=dd;dip1:=1;end if;end if;-*p3_3-顯示低位*-if(d1='0')thendip6:=1;-小于X10000檔的低四位不顯示小數(shù)點-if(dip5=1)thenge<=aa;shi<=bb;bai<=cc;qian<=dd;dip6:=0;-X10000檔的高位不顯示小數(shù)點-dip7

21、:=1;-X10000檔的低位千位顯示小數(shù)點-elsif(dip4=1)thenge<=0;shi<=aa;bai<=bb;qian<=cc;elsif(dip3=1)thenge<=0;shi<=0;bai<=aa;qian<=bb;elsif(dip2=1)thenge<=0;shi<=0;bai<=0;qian<=aa;elsege<=0;shi<=0;bai<=0;qian<=0;end if;elsif(d1='1')thendip6:=0;dip7:=0;end if;e

22、nd if; -*p3_4-占空比*-if(clk_10m'event and clk_10m='1')thencounter2:=counter2+1;if(counter2=1000000)then-10mhz頻率,計數(shù)到1000000為1s-c:=zc;-停止檢測高電平并鎖存高四位計數(shù)器值-d:=zd;e:=ze;f:=zf;end if;end if;if(clkx='1')then-測待測方波高電平-if(clk_10m'event and clk_10m='1')thencounter3:=counter3+1;za:

23、=za+1;if(za=10)thenza:=0;zb:=zb+1;if(zb=10)thenzb:=0;zc:=zc+1;if(zc=10)thenzc:=0;zd:=zd+1;if(zd=10)thenzd:=0;ze:=ze+1;if(ze=10)thenze:=0;zf:=zf+1;if(zf=10)thenzf:=0;end if;end if;end if;end if;end if;end if;end if;end if;-*p3_4-數(shù)碼管顯示部分*-if(clk_1hz'event and clk_1hz='1')then-1s顯示一次頻率-*小數(shù)點

24、顯示*-if(dip7=1)thenled4(7)<='1'led3(7)<='1'led2(7)<='1'led1(7)<='0'elsif(dip5=1 or dip6=1)thenled4(7)<='1'led3(7)<='1'led2(7)<='1'led1(7)<='1'elsif(dip4=1)thenled4(7)<='0'led3(7)<='1'led2(7)&

25、lt;='1'led1(7)<='1'elsif(dip3=1)thenled4(7)<='1'led3(7)<='0'led2(7)<='1'led1(7)<='1'elsif(dip2=1)thenled4(7)<='1'led3(7)<='1'led2(7)<='0'led1(7)<='1'elsif(dip1=1 )thenled4(7)<='1'led

26、3(7)<='1'led2(7)<='1'led1(7)<='0'end if;-*顯示數(shù)字*-Case qian iswhen 0=>led1(6 downto 0)<="1000000"when 1=>led1(6 downto 0)<="1111001"when 2=>led1(6 downto 0)<="0100100"when 3=>led1(6 downto 0)<="0110000"whe

27、n 4=>led1(6 downto 0)<="0011001"when 5=>led1(6 downto 0)<="0010010"when 6=>led1(6 downto 0)<="0000010"when 7=>led1(6 downto 0)<="1111000"when 8=>led1(6 downto 0)<="0000000"when 9=>led1(6 downto 0)<="0010000&qu

28、ot;when others=>led1(6 downto 0)<="0000000"end case;case bai iswhen 0=>led2(6 downto 0)<="1000000"when 1=>led2(6 downto 0)<="1111001"when 2=>led2(6 downto 0)<="0100100"when 3=>led2(6 downto 0)<="0110000"when 4=>led2(6

29、 downto 0)<="0011001"when 5=>led2(6 downto 0)<="0010010"when 6=>led2(6 downto 0)<="0000010"when 7=>led2(6 downto 0)<="1111000"when 8=>led2(6 downto 0)<="0000000"when 9=>led2(6 downto 0)<="0010000"when others

30、=>led2(6 downto 0)<="0000000"end case; case shi iswhen 0=>led3(6 downto 0)<="1000000"when 1=>led3(6 downto 0)<="1111001"when 2=>led3(6 downto 0)<="0100100"when 3=>led3(6 downto 0)<="0110000"when 4=>led3(6 downto 0)<

31、;="0011001"when 5=>led3(6 downto 0)<="0010010"when 6=>led3(6 downto 0)<="0000010"when 7=>led3(6 downto 0)<="1111000"when 8=>led3(6 downto 0)<="0000000"when 9=>led3(6 downto 0)<="0010000"when others=>led3(6 downto 0)<="0000000"end case;case ge iswhen 0=>led4(6 downto 0)<="1000000"when 1=>led4(6 downto 0)<="1111001"when 2=>led4(6 downto 0)<="0100100"when 3=>led4(6 downto 0)<="0110000"when 4=>led4(6 downto 0)<="001100