基于FPGA的等精度频率计的设计与仿真VIP

学校代码：11517学 号：201010711209HENAN INSTITUTE OF ENGINEERING毕业设计题 目 基于 FPGA 的等精度频率计的设计与仿真学生姓名 陈新利 专业班级 电子科学与技术 1042 学 号 201010711209 系 （部） 电气信息工程学院 指导教师(职称) 瓮嘉民（副教授） 完成时间 2014 年 5 月 25 日 河南工程学院论文版权使用授权书本人完全了解河南工程学院关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下各项内容：按照学校要求提交论文的印刷本和电子版本；学校有权保存论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供本论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。论文作者签名：年 月 日河南工程学院毕业设计(论文)原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文，是本人在指导教师指导下，进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。论文作者签名：年 月 日河南工程学院毕业设计（论文）任务书题目 基于 FPGA 的等精度频率计的设计与仿真 专业 电子科学与技术 学号 201010711209 姓名 陈新利 主要内容： 1运用 FPGA（现场可编程门阵列）芯片来实现一个八位数字式的等精度频率计，它的频率测量范围是 1Hz-99999999Hz，该测频方法不仅能够实现高精度测量要求，而且在很大的频率范围内能够保持恒定的测量精度，并且不需要改变量程。2设计中采用 Verilog HDL语言编程，运用 QUARTUS 软件实现。基本要求：1查阅相关原始资料，书写文献综述，英文资料翻译。2理解相关的资料，确定系统功能、性能指标，选择系统组成方案。3选择系统方案，运用 Verilog HDL编程，采用 QUARTUS 集成开发环境进行编辑、综合测试，并进行引脚锁定。4采用 MagicSOPC实验开发平台，以 FPGA为核心器件，主控芯片为 EP2C35F672C8器件并下载到试验箱中进行验证，最终实现测量范围为 1Hz-99999999Hz的 8位数字式等精度频率计。5对比周期法测量与基于 FPGA的等精度测量的测量结果并分析。 主要参考资料：1 潘松,王国栋 .VHDL 实用教程M.西安：西安电子科技大学出版社,2007.2 莫琳.基于 FPGA 等精度频率计的设计与实现J. 现代电子技术,2004(10):81-84.3 黄智伟.FPGA 系统设计与实践M.北京:电子工业出版社,2005.完 成 期 限：指 导 教 师 签 名 ： 专业负责人签名： 年 月 日基于 FPGA 的等精度频率计的设计与仿真目 录摘要 .IABSTRACT .II引言 .11 概述 .21.1 频率计在国内外的发展状况 .21.2 频率计的发展趋势 .21.3 本课题研究的目的、意义和要求 .31.4 电子设计自动化（EDA）技术概述 .41.4.1 EDA 技术及其发展 .41.4.2 Quartus II 软件介绍 .51.4.3 EDA 工具使用流程 .71.5 可编程逻辑门阵列简介 .81.5.1 可编程逻辑器件的发展历程 .81.5.2 FPGA 的结构与工作原理 .92 等精度频率计的设计 .102.1 设计要求 .102.2 设计方案的选择 .102.2.1 系统方案的选择 .102.2.2 测频方法的选择 .112.2.3 等精度的测频原理 .123 基于 FPGA 的等精度频率计的设计 .143.1 系统方案 .143.2 误差分析 .14基于 FPGA 的等精度频率计的设计与仿真3.3 系统原理框图 .153.4 系统整体框图 .154 等精度测频法各个模块的介绍 .164.1 信号源模块 .164.2 分频模块 .174.3 计算模块 .174.3.1 D 触发器的设计 .184.3.2 计数器的设计 .184.4 显示模块 .184.5 各模块方框图 .195 整体步骤 .205.1 创建工程 .205.2 引脚锁定 .205.3 硬件测试与仿真 .215.4 等精度测量与周期法测量图片验证 .215.5 等精度测量与周期法测量结果对比 .25结束语 .26致谢 .27参考文献 .28附录 源程序 .29基于 FPGA 的等精度频率计的设计与仿真I基于 FPGA 的等精度频率计的设计与仿真摘 要本文主要讲述了等精度频率计的 FPGA 设计方法，它主要是针对传统频率计不能满足等精度测量要求的缺点而提出的。实验结果表明，该系统可以实现在整个频段内的测量精度保持一致，测量误差小，达到了等精度的测量要求。本文主要从如下几个方面展开了工作：1.介绍了电子自动化(EDA) 技术和现场可编程逻辑门阵列（FPGA ）的结构与工作原理。本文各模块所用芯片均由 Altera 公司的 Cyclone II 系列的 FPGA 芯片EP2C35F672C8 设计实现。2.讲述了频率计在国内外的发展状况和未来发展趋势，分析了传统测频法的优缺点，如周期法测频适合于低频信号的测量，而直接测频法则适合于高频信号的测量；从而在此基础上实现了多周期同步测频法，即等精度测频法。3.讲述了等精度测频法的测量原理，并对其进行了误差分析，还对系统各个模块画出原理图并做了详细讲解。4.本设计采用硬件描述语言 Verilog HDL 语言编程，运用 QUARTUS 集成开发环境进行编辑、综合，并下载到试验箱中进行验证，最终实现测量范围为 1Hz-99999999Hz 的 8 位数字式等精度频率计。5.分别对等精度测量与周期法测量进行了验证和测量结果对比，使读者更加方便、直观的观察到采用等精度测频法的优点。关键字 FPGA；等精度；频率计基于 FPGA 的等精度频率计的设计与仿真IIDESIGN AND SIMULATION OF EQUAL PRECISION FREQUENCY METER BASED ON FPGA ABSTRACT To overcome the shortcoming that the traditional frequency measurement method dose not meet the requirement of equal precision, a design method of equal precision frequency meter based on FPGA is proposed. Experimental results show that the system can measure frequencies with equal precision in the whole frequency range, and the measurement was small, which achieves the requirement of equal precision measurements.This article start the work from these following severals to introduce:1.This article describes the technology of electronic design automation (EDA) and the structure of field programmable gate array (FPGA),including its working principles. The system modules were all realized by Cyclone II of FPGA chip EP2C35F672C8 , which was provided by the Alteras company.2.This paper describes the frequency meter in the domestic and international situation and the development trends in the future, and analyzes the advantages and disadvantages of conventional frequency measurement method, such as frequency measurement cycle method suitable for measuring the low-frequency signals, and direct frequency measurement rules for high-frequency signal measurement; thus ,the author achieved a multicycle synchronous frequency measurement method on this basis, namely precision frequency measurement method.基于 FPGA 的等精度频率计的设计与仿真III3.This paper describes the principles of equal precision measurement, also analysis its errors, and also make a detailed explanation for each module.4.This design uses the Verilog Hardware description Language to program, which is one of the hardware description language, uses the QUARTUS II integrated development environment to edit and integrate, and then to verification by downloading them to the chamber , finally achieved the eight pure digital equal precision frequency meter,which can measure the frequency range from 1Hz to 99999999Hz.5.In this paper, the author tests the equal precision measurement and the period measurement by experiment , and contrasts the results of measurement , which makes readers observe the the advantages of equal precision measurement more conveniently and directly .KEYWORDS FPGA;Equal Precision;Frequency Meter基于 FPGA 的等精度频率计的设计与仿真1引 言伴随着微电子技术和计算机技术的飞速发展，电子设计的自动化（Electronics Design Automation，简称 EDA）技术也在迅速的发展并不断地成熟起来，它是现代电子技术的核心。EDA 是将可编程逻辑器件（Programmable Logic Device,即 PLD）作为它的物质基础，以计算机作为它的工作平台，在 EDA工具软件创建的环境下开发，运用硬件描述语言 HDL（Hardware Description Language ）进行编程，从而实现电子产品自动化的设计过程。近些年来，电子自动化技术的发展更加迅速，迫切需要更加精密准确的测量出被测信号的频率。由于采用传统方法设计出的频率计其应用范围不够广泛，测量精度也不够高；而本文介绍的基于 FPGA 的等精度频率计