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1、大连海事大学装订线毕 业 论 文二一四年六月基于FPGA的高精度数字频率计设计专业班级：通信工程3班姓 名： 程胜胜 指导教师： 谭克俊 信息科学技术学院摘 要频率计是一种应用非常广泛的电子仪器，也是电子测量领域中的一项重要内容，而高精度的频率计的应用尤为广泛。本论文首先简单介绍了EDA技术原理和Quartus开发软件的操作方法，接着论述了三种常见的测频方法，选用其中的等精度测频法实现了高精度测频的目的。本设计分为硬件设计和软件设计，其中软件设计部分采用VerilogHDL编写，分为波形计数模块，数据处理模块和频率值结果显示模块，各个模块程序均通过了时序仿真验证和功能仿真验证，再利用顶层文件将
2、所有模块连接起来，拼接成一个整体。模块划分的设计具有相对独立性，可以对模块单独进行设计、调试和修改，缩短了设计周期。此次设计的硬件实现环境是SmartEDA实验箱。本论文对测频系统的设计流程、模型的建立和仿真做出了具体详细的研究，验证了该系统的正确性。本系统采用了 FPGA来实现高精度数字频率计设计。除复位键输入部分和LED显示部分以外，其余全部在一片 FPGA芯片上实现，整个系统非常精简，而且具有灵活的现场可更改性。关键词：VerilogHDL；数字频率计；EDA；FPGAAbstractFrequency meter is a kind of electronic instrument a
3、pplied widely. A kind of high-accuracy digital frequency meter is designed based on FPGA in this paper. This paper first introduces the method of operation principle of EDA technologyand Quartus II software, then introduces three kinds of common frequency measurement method, the selection of the pre
4、cision frequency measuring methodachieves high precision frequency measurement purpose.The design is divided into hardware design and software, the software design part uses the VerilogHDL compilation, divided into waveform counting module, data processing module and the frequency value result displ
5、ay module, each module program through the timing simulation and functional simulation, the top-level documents connect all modules, spliced into a whole.Design module is relatively independent, can carry on the design, debug and modify the module separately, shorten the design cycle. The design of
6、thehardware environment is the SmartEDA experiment box. Establishment and Simulation of the design process, the frequency measurement system model isstudied in detail in the paper, the system has been proved right.The system uses FPGA to realize the high precision digital frequency meter design. In
7、addition to the reset key input and LED display part outside, the rest allin the realization of a FPGA chip, the whole system is very compact, and flexible change of scene.Key Words: VerilogHDL; Digital Frequency Meter; EDA ; FPGA 目录第1章 绪论51.1 研究背景及意义51.2 EDA技术原理与概述5 1.2.1 FPGA基本原理6 1.2.2 硬件描述语言71.2
8、.3 Quartus开发软件9 1.3 SmartEDA实验箱与芯片EP1C6Q240C814 1.3.1 SmartEDA教学实验开发平台14 1.3.2 SmartEDA核心板EP1C6Q24014第2章 频率测量方法与原理172.1 直接测频法172.2 利用电路的频率特性进行测量192.2.1 电桥法测频192.2.2 谐振法测频192.2.3 频率电压转换法测频192.3 等精度测量法202.4 本章小结21第3章系统总体设计方案223.1 频率计系统设计任务要求和任务分析223.1.1 频率计系统设计任务要求223.1.2 频率计系统设计任务分析223.2 等精度数字频率计原理框图
9、233.3 本章小结24第4章基于FPGA的功能模块电路设计254.1 分频器模块设计254.2 D触发器模块设计274.3 计数器模块设计284.4 锁存器模块设计284.5 倒相器模块设计294.6 乘法器模块设计304.7 除法器模块设计324.8 二进制转BCD码模块设计334.9 数码管模块设计和动态扫描显示电路35 4.9.1数码管模块设计35 4.9.2 数码管动态扫描显示电路374.10 本章小结37第5章 总体设计测试与误差分析385.1 测试部分385.2误差分析40致 谢41参 考 文 献42附录43 IV基于FPGA的高精度频率计设计第1章 绪论1.1 研究背景及意义在
10、电子测量技术领域内，频率是一个最基本的参数。它不仅是各种强弱电信号的物质本质参数之一，还因为频率信号的抗干扰性强、易于传输、可以获得较高的测量精度等特点使各种非电信号，诸如速度、力、图像、音讯等物理量都可以转换为电频率信号。因此工程中很多测量，如用振弦式方法进行力的测量、时间测量、速度测量、速度控制等都涉及到频率测量1。因此，研究频率计具有一定的实用价值2。数字频率计是一种用十进制数字显示被测信号频率的测量仪器。在测控系统中，测频方法的研究越来越受到大家的重视，多种非频率量的传感信号都要转化为频率量来进行测量，而频率计作为测量频率的仪器被广泛应用于工业生产、实验室、国防等领域。随着电子技术的飞
11、速发展，各类分立电子元件及其所构成的相关功能单元，已逐步被功能更强大、性能更稳定、使用更方便的集成芯片所取代。由集成芯片和一些外围电路构成的各种自动控制、自动测量、自动显示电路遍及各种电子产品和设备。本次设计就是采用EDA(Electronic Design Automation，电子设计自动化)技术，通过一片FPGA芯片和一些外围电路实现高精度测频的功能。1.2 EDA技术原理与概述所谓的EDA技术，是在20世纪90年代初，从CAD(计算机辅助设计)、CAM(计算机辅助制造)、CAT(计算机辅助测试)和CAE(计算机辅助工程)的概念发展而来的。目前，电子设计自动化己逐渐成为重要的设计手段，其
12、广泛应用于模拟与数字电路系统等许多领域7。EDA技术就是以计算机为工作平台，以EDA软件工具为开发环境、以硬件描述语言HDL为设计语言、以可编程逻辑器件为试验载体、以ASIC、SoC芯片为目标器件，以电子系统设计为应用方向的电子产品自动化设计过程。在EDA的设计过程中，用HDL编写的设计文件将自动的完成逻辑编译、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合及优化、逻辑布局布线、逻辑仿真、直至对特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等等工作。设计的工作仅限于利用软件的方式，即用硬件描述语言来完成对系统硬件功能的描述，在EDA工具的帮助下就可以得到最后的设计结果。尽管目标系统是硬件，但整个设计和修改如完成软件
13、设计一样方便而高效。EDA技术中最为瞩目的功能，即最具现代电子设计技术特征的功能就是日益强大的逻辑设计仿真测试技术。EDA仿真测试技术只需通过计算机就能对所设计的电子系统从各种不同层次的系统性能特点完成一系列准确的测试与仿真操作，在完成实际系统的安装后还能对系统上的目标器件进行所谓的边界扫描测试。另一方面，高速发展的FPGA/CPLD器件又为EDA技术的不断进步奠定了坚实的物质基础。FPGA/CPLD器件的更广泛的应用及厂商间的竞争，使得普通的设计人员获得廉价的器件和EDA软件成为了可能，大大的促进了EDA的发展。EDA技术是现代电子工程领域的一门较新的技术，它提供了基于计算机和信息技术的电路
14、系统设计方法，极大的推动了电子产业的发展。目前，在通信、国防、航天、工业自动化等领域的电子系统设计当中，EDA技术的含量正以惊人的速度发展着。未来的EDA将会超越电子设计的范畴进入其他的领域，随着基于EDA的SoC(System on a Chip)设计技术的发展，软硬功能核库的建立，以及基于HDL所谓自顶向下设计理念的确立，将会极大的推动电子工业的发展，将电子系统的设计和规划应用到其他的领域中去。1.2.1 FPGA基本原理FPGA是一种高密度的可编程逻辑器件,自从Xilinx公司1985年推出第一片FPGA以来,FPGA的集成密度和性能提高很快,其集成密度最高达1000万门/片以上,系统性能可达300MHz。由于FPGA器件集成度高,方便易用,开发和上市周期短,在数字设计和电子生产中得到迅速普及和应用。FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（Logic Cell Array）这样一个概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（Configurable Logic Block）、输出输入模块IOB（Input Output Block）和内部连线（Interconnect）三个部分。 现场可编程门阵列（FPGA）是可编程器件。与传统逻辑电路和门阵列（如PAL，GAL及CPLD器件）相比，FPGA具有不同的结构，FPGA利用小型查找表（161RAM）来实现组合逻辑，每个查找表连
