基于FPGA的多功能计数器的设计-毕业设计

本文介绍了一种以大规模可编程逻辑芯片为设计载体，由顶层到底层设计的多功能数字频率计。该频率计采用单片机与频率测量技术相结合，大大提高了测量的精度。本文主要包括该频率计的设计基础和实现方法两部分内容，描述了它的设计平台、工作原理和软硬件实现。在硬件上，利用公司的 器件为主控器；在软件上，采用 硬件描述语言编程极大地减少了硬件资源的占用。该数字频率计具有频率测量、周期测量、脉宽测量和占空比测量等多种功能。仿真与分析结果表明，该数字频率计性能优异，软件设计语言灵活，硬件简单，速度快。关键词等精度频率计isthemastercontroller;Onthesoftware,usestheVHDLhardwaredescriptionlanguageprogramming,reducedhardwaresourceoccupancyenormously.Thisdigitalfrequencymeterhasthefrequencymeasurement,thecyclicalsurvey,thepulsewidthsurveyandthedutyfactorsurveyandsoonmanykindsoffunctions.Thesimulationandtheanalysisresultindicatedthatthisdigitalfrequencymeterperformanceisoutstanding,thesoftwaredesignlanguageisflexible,thehardwareissimple,thespeedisquick.KeywordsFPGAEqualPrecisionMeasurementFrequencymeterVHDL第一章概述 多功能计数器现状 频率测量方法简介 第二章软件开发平台简介的发展的特点语言结构实体（ ）结构体（ ）软件设计简介第三章硬件开发平台现场可编程门阵列（G简介可编程逻辑器件 现场可编程门阵列（G的器件结构与工作原理基于平台的开发流程第四章多功能计数器的理论基础和总体设计方案.常用频率测量方法及其误差分析 直1接测频法 测2周法原理 等3精度测频原理 脉冲宽度和占空比测量原理 总体设计 第五章多功能计数器的软件设计和硬件设计..软件设计 测频专用模块工作功能描述及程序5.1.脉2冲宽度和占空比测量模块 5.1.3..G.A.T.E .测4频/测周期实现 硬件设计 5.2.程1控放大电路 5.2.过2零比较电路 5.2.测3频主系统实现 总结 谢辞 参考文献 #第五章多功能计数器的软件设计和硬件设计

软件设计测频时信号经峰值检波，/采样后送入，选择模拟开关对不同幅度段的信号进行程控放大。放大后的信号分别经两路比较器整形，然后送往内分别计数，高频时采用经高频比较器整形后的计数值，低频时采用经低频比较器整形后的计数值，准确测得信号频率。程序流程如图5.所1示。初始化t-初始化t-测峰值检技后的心D采样数据选择模《北关通逋计算相显示高频计数频率 显示低频计数撕率图5.1流程图由于多功能计数器是一个需对数字信号进行测量和显示的系统，因此它需要设置控制电路、计数电路、锁存电路和译码显示电路等。控制电路的功能是对计数电路、锁存电路和译码显示电路进行工作和时序的控制。其控制要求为：先使计数电路在内进行计数，接着在下一个内锁存计数的结果，然后再将锁存的数据进行译码和显示。在第一个测量显示周期结束后，控制电路将再次发出控制信号，先对功能电路清零，然后使系统开始第二个测量周期的工作。计数电路是对被测频率信号进行频率计数测量的主功能电路。由于被测信号频率是未知的，因此用计数电路测量时,一般使用多个输出为4位2进制数的数字十进制计数器。此计数器从个位开始到高位分别进行计数，使低位计数器的溢出位与高位计数器的输入时钟位相连。从计数器电路结构可知，该电路输出信号是由低位到高位的多组4位2进制表示的十进制数，用来分别表示被测信号的个、十、百、千„„等位的数值。位数越高频率测量的范围也越宽，此测量范围由计数电路内部的十进制计数器的个数来决定。锁存电路的主要功能是对计数器计数输出的数据进行锁定保存。即使在前级计数电路的计数器清零以后，锁存器依然有保存的数据存在，不会造成数据的丢失。锁存电路中的锁存器是对单个十进制计数器数据进行保存，因此锁存器的个数由前一级计数电路的十进制计数器的个数决定。译码显示电路由译码器和显示器构成。译码器的功能是，将锁存器保存并输出的4位2进制代码表示的十进制数进行译码转换，将其转换为能直接驱动数码管显示与其对应的十进制数字字符的输出信号。显示器由数码管电路构成。由于被测信号可能具有多个位数的频率，因此需要多个数码管对其进行显示。数码管的个数可根据被测信号频率的位数来决定。若采用动态显示模式驱动数码管，则可使数码管依次显示个、十、百、千等位的数字。若显示的循环频率足够高，则看到的依然是多个数码管同时显示。采用动态显示模式可大量减少单个数码管的工作时间，亦可将动态显示电路和译码电路结合在一起，减小系统译码电路的规模。测频专用模块工作功能描述及程序计数器模块（ ）功能分析：计数电路是对被测频率信号进行频率计数测量的主功能电路。根据频率的定义和测频的基本原理，测量信号频率必须由一个脉宽为的对输入信号脉冲计数的允许信号，其测量结果为输入信号在内的脉冲个数，即输入信号的频率。由于被测信号频率是未知的，因此用计数电路测量时。一般使用多个输出为4位2进制数的数字十进制计数器。此计数器从个位开始到高位分别进行计数，使低位计数器的溢出位与高位计数器的输入时钟位相连。从计数器电路结构可知，该电路输出信号是由低位到高位的多组4位2进制表示的十进制数，用来分别表示被测信号的个、十、百、千等位的数值。位数越高频率测量的范围也越宽，此测量范围由计数电路内部的十进制计数器的个数来决定。控制模块（）功能分析：为实现系统功能，控制电路模块需输出三个信号：一是控制计数器允许对被测信号计数的信号；二是将前一秒计数器的计数值存人锁存器的锁存信号S三是为下一个周期计数做准备的计数器清零信号L上述三个信号产生的顺序是：先提供计数信号，这种信号使计数器在内计数；接着是提供锁存信号，这种信号对计数值进行锁存；最后是发出清零信号，这种信号可对计数器清零。计数器清零结束后又可重新计数，计数进入第二个周期。不难看出，控制电路模块实际上就是一个控制器，它需要一个周期为1的信号作为产生并控制控制器输出的时基信号。5 FIN ?猾: START 二？也？:AND2 *h DFF ।—>CLK1CLK QCLR 小小叮 । ppr-.in.iu ! 二二% FSD …嫩;—X阳 "叱I~>CLK20UTPUT । 广।pp4 LLG 1 J . 1.II । /图5.2测频与测周期控制部分电路如图所示，当触发器的输入端 为高电平时，若端来一个上沿，则端变为高电平，导通一和一，同时被置为高电平作为状态标志；在触发器的输入端 为低电平时，当端输入一个脉冲上沿，一与一信号通道被切断。脉2冲宽度和占空比测量模块根据脉宽测量原理，设计如图的3根据脉宽测量原理，设计如图的3电路原理示意图。该信号的上沿和下沿信号对应于未经处理时的被测信号的50幅%度时上沿和下沿信号。被测信号从 端输入， 为初始化信号， 为工作使能信号，图中的端与 的输入端 相连。其测量脉冲宽度的工作步骤是：向的 端送一个脉冲以便进行电路的工作状态初始化。将的 置高电平，表示开始脉冲宽度测量，这时 的输入信号为S在被测脉冲的上沿到来时， 的 端输出高电平，标准频率信号进入计数器 N在被测脉冲的下沿到来时， 的 端输出低电平，计数器被关断。由单片机读出计数器 的结果，并通过上述测量原理公式计算出脉冲宽度。图5.3脉冲宽度测量原理图子模块的主要特点是：电路的设计保证了只有 被初始化电平，然后在检测到下沿时，过后才能工作，否则 输出始终为零。只有在先检测到上沿后 才为高电平，然后在检测到下沿时，输出高电平以便通输出为低电平时；输出高电平以便通知单片机测量计数已经结束；如果先检测到下沿，并无变化；在检测到上沿并紧接一个下沿后，不再发生变化直到下一个初始化信号到来。占空比的测量方法是通过测量脉冲宽度记录的计数值，然后将输入信号反相，再测量其脉冲宽度，测得计数值，则可以计算出：占空比=N1/N1+N2其程序为：IFS=2THENPUL<='1';ELSEPUL<='0';ENDIF;IFS=3THENENDD<='1';ELSEENDD<='0';ENDIF;ENDPROCESS;A0<=F2ANDQQ(1);B0<=NOTA0;C0<=NOTF2;PROCESS(C0,CLR)BEGINIFCLR='1'THENQQ(1)<='0';ELSIFC0'EVENTANDC0='1'THENQQ(1)<='1';ENDIF;ENDPROCESS;PROCESS(A0,CLR)BEGINIFCLR='1'THENQQ(2)<='0';ELSIFA0'EVENTANDA0='1'THENQQ(2)<='1';ENDIF;ENDPROCESS;PROCESS(B0,CLR)BEGINIFCLR='1'THENQQ(3)<='0';ELSIFB0'EVENTANDB0='1'THENQQ(3)<='1';ENDIF;功能分析：控制电路的功能是对计数电路、锁存电路和译码显示电路进行工作和时序的控制。首先使计数电路在 内进行计数，接着在下一个内锁存计数的结果，然后再将锁存的数据进行译码和显示。在第一个测量显示周期结束后，控制电路将再次发出控制信号，先对功能电路清零，然后使系统开始第二个测量周期的工作。测4频/测周期实现被测信号脉冲从 模块的 端输入，标准频率信号从 的端输入， 的 是此模块电路的工作初始化信号输入端。进行频率或周期测量的步骤：令，选择等精度测频，然后在的 端加一正脉冲信号以完成测试电路状态的初始化。由预置门控信号将 的 端置高电平，预置门开始定时，此时由被测信号的上沿打开计数器 ，进行计数，同时使标准频率信号进入计数器 。预置门定时结束信号把 的 端置为低电平（由单片机来完成），在被测信号的下一个脉冲的上沿到来时， 停止计数，同时判断对的计数。计数结束后， 的 端将输出低电平来指示测量计数结束，单片机得到此信号后，即可利用 、 分别读回 和的计数值，并根据精度测量公式进行运算，计算被测信号的频率或周期值。CONTRL袈"匚=5•在ND；'CHEKF…三5…腿"'FINPUTCONTRL袈"匚=5•在ND；'CHEKF…三5…腿"'FINPUT…… …理丁一CHOICE…尸二S二喳*.15……START…三2T2/clrjtr哈…ADRAADRBFSTD…产S”慨丁，再"—〉E而作‘…三5二赠■PINJ'JAME融P61 PIN_NAME图5.4测频模块逻辑图5.2硬件设计该系统硬件电路设计是由峰值检波采样、整形比较、宽带通道放大、频率测量、显示等模块构成。低频比较器 对到 的信号整形效果较好，高频比较器 对 以上的信号整形效果较好。为实现到 信号的频率测量，该系统以为0〜的信号，应将其经峰值检波、/转换后选择模拟开关通道进行程控放大，经整形后测量，最后将测量结果送入显示模块。等精度频率计的主系统如图5.所5示，主要由6个部分构成：信号整形电路。用于对待测信号进行放大和整形，以作 器件的输入信号。测频电路。是测频的核心电路模块，可以由 器件担任。的标准频率信号源可通过倍频所得接入 。单片机电路模块。用于控制 的测频操作和读取测频数据，并作出

相应数据处理。安排单片机的口读取测试数据， 口向发控制命令。键盘模块。可以用5个键执行测试控制，一个是复位键，其余是命令键。数码显示模块。可以用7个数码管显示测试结果，最高可表示百万分之一的精度。考虑到提高单片机口的利用率，降低编程复杂性，提高单片机的计算速度以及降低数码显示器对主系统的干扰，可以采用串行静态显示方式或液晶显示。程1控放大电路程控放大分为段，对0〜 的小信号放大 倍，的小信号放大倍，〜的信号不放大。选用路模拟开关3，的小信号放大倍，〜的信号不放大。选用路模拟开关3，为0了采集与实现毫伏级信号，必须使用宽带放大电路进行放大，故采用 公司6宽3带7运放实现=的1放6宽3带7运放实现=的1放2大0。图2为6增3益7为1倍的放大电路，增益为6级3联7即可实现。的0放大电路用2级程控放大电路图过2零比较电路输入信号送入进1行1输入信号送入进1行1滞回比较，可较好消除边缘毛刺，实现低频信号整形。是1高1频6比较器，输入信号送入1滞1回6比较，获得较为理想的高频方波整形信号。故测频时分两段设计整形电路，整形电路将输入的周期信号整形成同频的方波输入进行测频。图为滞1回1的周期信号整形成同频的方波输入进行测频。图为滞1回1比较电路，1外1同6电路与其相同。过零比较电路测3频主系统实现测频主系统原理如图5.所7示，由单片机完成整个测量电路的测试控制、数据处理和显示输出，一片 I完成各种测试功能。键盘信号由进行处理，它从 I读回计数数据进行运算，并向显示电路显示测试结果。显示器电路采用段 显示器。在标准信号频率为的情况下，其测量精度可达成，即能够显示近8位有效数字。系统的基本工作方式如下：图 中的座为数显与键控信号接口。由只完成串行显示，其中 的 接个的输出使能IN接第一片的串行数据输入端（IN2按时钟端（IN）。系统设置个键：下调、上调、时间、自校、占空比、脉宽、周期、频率，其中“时间”键选定后可通过“下调”和“上调”键对预置门时间进行调节。通过一片401将4键控信息串行读入单片机。F 为测频标准频率 信号输入端。FIN为被 模块放大整形后的被测信号。待测信号由“尸口”输入。为自校频率发生模块， 为自校频率输入端。

=时)4当 时系统全清零功能，当的上跳沿将启动，进行脉宽测试计数。.):0脉宽计数结束状态信号，结=束1。=时)4当 时系统全清零功能，当的上跳沿将启动，进行脉宽测试计数。.):0脉宽计数结束状态信号，结=束1。.)2:自校/测频选择，测频，自校。( )：当时，作为预置门闸，门宽可通过键盘由单片机控制， 时预置门打开；当 时， 有第二功能，此时，当时测负脉宽，当 时测正脉宽。利用此功能可分别获得脉宽和占空比数据。N.等精度测频计数结束状态信号。若令 时计数结束。rR计数值读出选通控制。若令 ， ，则当、、2时可以从和口由低位至高位分别读出两组个位计数值。此多功能计数器实现了对频率〜、幅度0 〜的正弦信号精确测频，其精度达到。同时，该计数器也实现了对正弦信号的周期和占空比的测量，并且能在液晶显示器实时显示当前信号的频率、周期和占空比。该系统操作简单，模块化程度高，精度高，显示界面友好，具有较强的可行性和实用性，具有良好的市场前景。白驹过隙，光阴似箭，四年时间转瞬即逝。在这大学四年里，各位老师严谨求学的治学谈度，广阔的胸襟以及对学生的孜孜教诲，让我深深铭记。老师高深的学术造诣，严谨的科研作风以及执着的敬业精神值得我们永远的学习。值此论文完成