采用测频原理的数字频率计

武汉理工大学应用设计报告学号：用计策类别路径名称FPGA原理及应用标题采用频率测量原理的数字频率计学院信息工程学院转业通信工程半级姓氏指导教师真姬2017年6月亮20工作课程设计任务书学生名称：刘专业课：通信1405课导师：陈适当的工作单位：信息工程学院数字频率计，采用标题：测频原理初始条件：VHDL硬件描述语言，Quartus II开发环境需要完成的主要任务：1.用测频法设计4位十进制数字显示数字频率计测量范围为1到9999KHz课程设计日程表序数号码阶段内容需要的时间1方案的设计1天2软件设计两天3系统调试1天4写报告1天合并计策五天教师签名指南：年月日部门主管(或负责任的教师)签署：年月日目录摘我AbstractII1 FPGA、VHDL和Quartus II简介11.1 FPGA简介11.2 VHDL简介11.3 Quartus II简介22频率测量原理和程序32.1设计要求32.2频率测量原理33系统设计43.1系统实施方案建议和决定43.2系统配置54数字频率计VHDL设计与仿真65经验116参考文献12附录13摘褥子数字频率计是用数字电路制作的，能够测量周期性变化信号频率的仪器。频率计主要用于测量周期信号(例如正弦波、矩形波、三角波和尖脉冲)的频率值，扩展功能用于测量信号的周期和脉冲宽度。数字频率计是数字电路的典型应用，在实际硬件设计中使用了更多的设备，连接更复杂，可能会发生更大的延迟，从而导致测量错误。使用现场可编程门阵列FPGA实现时，整个系统将大大简化，并提高整体系统性能和可靠性。本文介绍了在Quartus II仿真平台上通过VHDL语言编程对4位十进制数字显示数字频率计进行编译、模拟和调试的方法。关键字：FPGA、数字电路、频率测量方法、数字频率计Abstractdigital Frequency meter is made of digital circuit system can achive period DIC change signal Frequency measurement instrument . Frequency meter ii resulting in measurement error . if The field programmable gate array FPGA is used，The whole system can be greatly simplified，and the wholethis paper introductes the principle of frequency measurement，based on the description of how to use the VHDL programming language，In theKeywords : FPGA、digital circuit、frequency measureing method、digital frequency meterIII1 FPGA、VHDL和Quartus II简介首先简要介绍设计中使用的可编程逻辑设备FPGA、VHDL和Quartus II。1.1 FPGA简介FPGA是80年代中期出现的高密度可编程逻辑设备，通常作为独立于布线资源的可编程逻辑单元来配置阵列，同时作为可编程I/O单元在阵列周围配置整个芯片。阵列的饥饿逻辑单元通过布线通道中的可编程内部连接实现特定的逻辑功能。FPGA包含具有快速系统速度的丰富逻辑闸道、暂存器和I/O组态。FPGA/CPLD芯片是一种特殊的ASIC芯片，除了ASIC的功能外，还提供了一些优点。随着大型集成电路VLSI过程的增加，单芯片内部可以容纳数百万个晶体管。FPGA/CPLD芯片在出厂前100%已经过测试，设计者无需承担风险和成本；用户可以反复编程、删除、使用，或在周围电路不移动的情况下使用不同的软件实现各种功能，并使用FPGA/CPLD测试样本以最快的速度占领市场。FPGA/CPLD封装包含各种输入工具、模拟工具、布局设计和程序员等所有产品，使电路设计人员能够在短时间内完成电路的输入、编译、优化、模拟，直到最终芯片制作。1.2 VHDL简介VHDL语言是电路设计的高级语言。出现在80年代末。美国国防部为提高设计可靠性和减少开发周期而开发的设计语言very high speed integrated circuit(vhsic)hardware description language。翻译成中文是超高速集成电路硬件说明语言。因此，其应用主要应用于数字电路的设计。目前在中国的应用大多用于FPGA /CPLD/EPLD设计。当然，它也用于在更强大的单位中设计ASIC。VHDL主要用于描述数字系统的结构、行为、功能和接口。VHDL的语言格式和说明样式是与句法非常相似的普通计算机高级语言，但具有硬件特性的很多语句除外。VHDL的程序结构将工程设计或设计实体(组件、电路模块或系统)分为外部(或可视部分、端口)和内部(或不可见部分)，包括物理内部功能和算法完成。为一个设计实体定义外部界面后，完成内部开发后，可以直接从其他设计调用此实体。这种将设计实体分为内外的概念是VHDL系统设计的基本要点。VHDL的主要特性包括：(1)强大而灵活的设计(2)广泛、易于修改的支持(3)强大的系统硬件技术(4)独立于设备的设计，独立于流程(5)移植力强(6)轻松共享和重用VHDL系统优点：(1)与其他硬件描述语言相比，VHDL的行为描述能力更强，成为系统设计领域最好的硬件描述语言。强大的动作描述能力是避免特定设备结构、在逻辑动作中描述和设计大型电子系统的重要保证。(2)利用VHDL丰富的仿真语句和库函数，在所有大型系统的设计初期，验证了设计系统的功能可行性，并可以随时仿真设计。(2)VHDL语句的行为描述功能，以及根据程序结构支持大规模设计的分解和已设计的重用功能。满足市场需要的大型系统是高效的，快速完成需要多个或几代头发组并行工作。(3)对于使用VHDL完成的单个可靠设计，可以使用EDA工具逻辑合成和优化VHDL说明设计，并自动将VHDL说明设计转换为门级网络表。(4)VHDL相对独立于设计说明，设计者可以独立设计，而不知道硬件的结构或管理实现最终设计的目标设备是什么。1.3 Quartus II简介Quartus II是一个可编程逻辑设计环境，其强大的设计功能和直观、易于使用的界面越来越受数字系统设计人员的欢迎。目前正式下载的最新版本是v13.0。Quartus II (3.0及更高版本)设计软件是业界唯一提供FPGA和固定功能HardCopy设备集成设计过程的设计工具。工程师可以使用相同的低成本工具执行Stratix FPGA的功能验证和原型设计，并设计硬拷贝Stratix设备以用于批量成品。系统设计人员现在可以使用Quartus II软件评估hardwopstratix设备的性能和功耗，并相应地进行最大吞吐量设计。Quartus II可编程逻辑软件属于第四代PLD开发平台。该平台支持单个工作组环境中的设计要求，包括基于internet的协作设计支持。Quartus平台与EDA供应商(如Cadence、ExemplarLogic、MentorGraphics、Synopsys和Synplicity)的开发工具兼容，软件中的LogicLock模块设计功能增强，添加了FastFit编译选项，提高了网络编辑性能并改进了调试功能。2频率测量原理和程序2.1设计要求1.用测频法设计4位十进制数字显示数字频率计测量范围为1到9999KHz2.2频率测量原理数字频率计是用于测量信号频率的电路。本设计利用频率测量原理设计数字频率计，下面简要介绍频率测量原理。测量频率时，将分频后的时钟信号用作栅极信号，这是因为输入信号的频率大于栅极信号频率，所以可以通过计算栅极信号周期内输入信号的周期数来计算输入信号的频率值，如图1所示显示原理图。闸信号测量的信号图1原理图如果记录在识别的灌嘴时间Tw内测量的信号的变更周期数(或脉冲数)Nx，则测量的信号的频率为fx=Nx/Tw。此方法的数值将导致与计数器中记录的数字Nx相关的单词错误。3系统设计3.1系统实施方案的建议和决定方法1 :是使用小型数字集成电路制造的被测试的信号通过放大整形转换为脉冲信号，添加到主门的输入部，基于时间的信号通过控制电路生成栅极信号，发送到主门，仅在栅极信号采样期间输入信号通过主门，基于时间的信号循环为T，输入阈值为N，则信号频率以频率F=N/T测量，如图2所示显示解码器柜台闸门扩大成型测量的信号控件部分图2程序频率测量原理图方案2:使用单片机进行频率测量控制单片机技术更成熟，更强大。测试信号经过放大成型，发送到频率测量电路，单片机处理频率测量电路的输出信号，将相应的数据发送到显示器进行显示。原理框图如图3所示。显示微控制器频率测量电路信号整形测试备用信号郑真图3单片机测频电路原理图这种方法的优点是精密的单片机技术，强大的计算能力，软件编程灵活性，自由度大，设计成本低。缺点是，在现有的单片机设计系统中，必须使用构成单片机周边电路的许多独立元素。整个系统看起来很复杂，单芯片微型计算机的频率运行不太频繁，测量精度大大降低。选项3:使用现场可编程门阵列(FPGA)作为控制核心使用现场可编程门阵列(FPGA)作为控制核心，实现VHDL语言编程、下载燃烧器。将所有设备整合到单个芯片中，大幅减少体积，同时提高稳定性，实现大规模和超大型集成电路，实现高频率测量精度、大测量频率范围和灵活的编程，易于调试。综合以上分析，方案3是设计测量部分的最佳选择方案。3.2系统配置如图4所示，此系统包括输入模块、FPGA模块和显示模块。输入模块包括基准时钟、重置信号和被测试的信号。FPGA模块是系统的核心部分，包括分频、7位十进制计数器、数据处理和动态解码。如果系统正常工作，分频