量程自动转换数字频率计.docx

量程自动转换数字频率计的设计1. 设计目标：A 设计一个3位十进制数字式频率计，其测量范围为1MHz，量程分10kHz，100kHz和1MHz三档（最大读数分别为9.99kHz，99.9kHz，999kHz）。被测信号应是一符合CMOS电路要求的脉冲或正弦波。B 要求量程可根据被测量的频率大小自动转换，即当计数器溢出时，产生一个换挡信号，让整个计数时间减少为原来的1/10，从而实现换挡功能。C 要求实现溢出报警功能，即当频率高于999kHz时，产生一个报警信号，点亮LED灯，从而实现溢出报警功能。D 小数点位置随量程变化自动移位。E 采用记忆显示方式，即计数过程中不显示数据，待计数过程结束后，显示计数结果，并将此显示结果保持到下一次计数结束。显示时间应不小于1秒。2. 设计思路及实现方案：1. 频率计的工作原理：常用的测量频率的方法有两种，一种是测周期法，一种是测频率法。测周期法需要有基准系统时钟频率Fs，在待测信号一个周期Tx内，记录基准系统时钟频率的周期数Ns，则被测频率可表示为:Fx=Fs/Ns 测频率法就是在一定时间间隔Tw(该时间定义为闸门时间)内，测得这个周期性信号的重复变换次数为Nx，则其频率可表示为:Fx=Nx/Tw 本设计采用的是直接测频率的方法。2. 频率计的原理框图：频率计的系统设计可分为3位十进制计数模块，闸门控制模块，译码显示模块，可自动换挡模块和分频模块。其原理框图如下：分频模块可自动换挡模块闸门控制模块3位十进制计数模块译码显示模块其中，可自动换挡模块为闸门控制模块提供3个挡，也就是三个测量范围的基准时钟信号，通过计数器的最高位的溢出情况来判定工作在第几挡。 闸门控制模块根据基准时钟信号产生基准时钟信号周期2倍的周期使能信号，随后为锁存器产生一周期性地锁存信号，再然后为计数模块产生一周期性的清零信号。 3位十进制计数模块在使能信号和清零信号的控制下对被测信号的波形变化进行计数，若产生溢出则为自动换挡模块输出一换挡信号。 译码显示模块显示被测信号的频率。3. 设计过程（包括关键模块的仿真结果及贴图）1. 分频模块： 输入信号为4MHZ的高频脉冲，经过分频器后得到1KHZ的脉冲。分频器的代码如下：library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity fenping2 isport(clk : in std_logic;clk_out : out std_logic);end fenping2;architecture behavior of fenping2 is begin process(clk) variable count: integer range 0 to 1999; variable x: std_logic; begin if clkevent and clk=1 then if count1999then count:=count+1; else count:=0; x:=not x; end if; end if; clk_out0) ; elsif CLKevent and CLK=1 then if EN = 1 then if CQ1 0); end if; end if; end if; if CQ1 = 9 then COUNT = 1; else COUNT = 0; end if; CQ = CQ1; end process;end behav;以上源程序编译成功后，生成计数器模块如下：3位十进制计数模块为：3.闸门控制模块： 以基准信号的周期为一秒为例，频率测量的基本原理是计算一秒内待测信号的脉冲个数，这就要求能产生一个周期为2秒，占空比为50%的周期信号TSTEN。用这个信号作为计数器的EN输入端，使其计数时间正好为1秒。当TSTEN为高电平时，计数开始，低电平时，计数停止。在计数器停止期间，首先要产生一个锁存信号LOAD，用其上升沿控制锁存器REG12将之前的计数结果存入锁存器中，并由显示模块将其显示出来。设置锁存器是为了让显示稳定，不会因为周期性的清零信号使得数值不断闪烁。锁存之后需有一清零信号CLR_CNT将计数器清零，为下一秒的计数操作做准备。 闸门控制模块的VHDL源程序如下：library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity testctl is port (clk : in std_logic; clr_cnt : out std_logic; tsten : out std_logic; load : out std_logic ); end testctl;architecture behav of testctl issignal a:std_logic;begin process(clk) begin if clkevent and clk=1 then a=nota; end if; end process; process(clk,a) if a=0 and clk=0 then clr_cnt=1; else clr_cnt=0; end if; end process; load=not a; tsten y =input0;o y =input1; o y =input2; o y=0;o=1;end case;end process;end behav;生成的模块为：仿真波形为：当输入为0000时：当输入为0001时：当输入为0010时：当输入为0011时：可以看到，设计完全符合要求，o端可以作为量程溢出标志。综上，量程自动转换模块为：5. 译码显示模块：译码显示模块的设计分为显示锁存器的设计，七段数码显示译码器的设计和小数点显示模块的设计3部分。显示锁存器是在计数结束后，利用load信号的上升沿把最新计数结果保存起来。其源程序如下：library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity reg12 isport(load : in std_logic;din0,din1,din2: in std_logic_vector(3 downto 0);dout0,dout1,dout2: out std_logic_vector(3 downto 0);end reg12;architecture behav of reg12 isbegin process(load) begin if loadevent and load=1then dout0=din0; dout1=din1; dout2tmptmptmptmptmptmptmptmptmptmptmptmptmptmptmptmpdangdangdangdang=111; end case;end process;end one;经编译后生成的模块为：6. 量程自动转换数字频率计顶层文件：(见附录)4 遇到的问题及解决方案选择做量程自动转换的数字频率计这个命题，完全是出于个人兴趣，但是一旦开始这方面的考虑时，还是遇到了很多问题的。其中，我尝试过三种设计思路，最后一种勉强达到了要求，还是倍感欣慰。下面列出了遇到的问题及解决方案：（1） 由于本次设计的数字频率计有3个挡，需要有3个相应的时基信号与之对应。刚开始采用的方案是分别用3个分频器产生3种时基信号，但是最终的结果不理想，后来采用先用一个分频器分频得到0.001s的信号，再依次通过两个十进制计数器分频得到0.01s，0.1s的信号的方案，结果比较理想，很好的解决了这个问题。（2） 由于输入为4MHz时钟信号和分频器分频数较大，直接接入电路进行仿真难度很大，且不易得到较准确的仿真结果。因此仿真时没有接入分频模块，且clk_in（对应0.001s）端输入和sig端输入也进行了同等比例的缩小，从而很好的解决了仿真遇到的问题。（3） 小数点显示模块的设计也遇到了一些问题，因为电路高度模块化，刚开始没有找到能很好反应小数点变化的敏感量，后来偶尔发现了量程自动转换模块的Mux31对应的敏感量可以很好的解决这个问题，就设计出了小数点显示模块。从图中可以看到Mux31和dot模块的一端同时连在十进制计数器的计数输出端。5编程调试（可选）6 综合时序仿真及功能分析：综合仿真时，为了直观的读出所测频率值，没有加七段数码显示译码器。为了便于仿真，clk_in端输入为1us（是1ms的0.001倍），sig输入端也同样变为待测信号的0.001倍，这样得到的仿真结果仍为待测信号的频率值。当clk_in端输入1us，sig端输入200ns时（即频率为5KHz）：仿真结果为：从仿真图中可以看到，dian端输出为4，对应0挡，锁存器输出为5，即5KHz，符合要求。 当clk_in端输入1us，sig端输入40ns时（即频率为25KHz）：仿真结果为：从仿真图中可以看到，开始是dian端为4，对应0挡，输出为0KHz，量程太小要求换挡；第二个时基后，dian端为2，对应1挡，输出为25KHz，此后就稳定的显示此数值，符合要求。 当clk_in端输入1us，sig端输入4ns时（即频率为250KHz）：仿真结果为：从仿真图中可以看到，经过两次换挡后，第三个时基后，dian端为1，对应2挡，输出为249KHz，此后就稳定的显示此数值，符合要求。当clk_in端输入10us，sig端输入4ns时（即频率为2500KHz）：仿真结果为：从仿真图可以看到，经过三次换挡后，量程都没符合要求，即产生了溢出，此时yichu端产生高脉冲，可作为溢出报警信号。 综上可以看出，频率计的设计完全符合要求。7 小结：历时两周的设计终于画上了句号，内心也轻松了。可以说，做这个设计让我遇到了很多的问题，有一段时间想放弃，重新换个题目，但是自动换挡模块的顺利实现还是让我看到了希望，并最终完成了整个设计，这一切对于我来说意义非凡，让我感受到奋斗的喜悦和无人可以商量的苦闷。通过这次的设计，我系统的查看了各种各样的资料，这样的学习让我加深了对知识的理解和对eda这门学科大概的了解。在做设计过程中，对仿真软件的操作也很熟练了，掌握了很多时序仿真的技巧和方法，这为以后的进一步学习打下了比较好的基础。对于我来说，这次更大的收获则是