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1、实 验 报 告 学 生： 学 院： 专 业： 学 号： 指 导 老 师：目录一、实验名称：3二、实验目的：3三、实验任务：3四、实验原理：31.分频器：4 功能4 实现：42.闸门选择5 功能5 实现53.门控电路：6 功能：6 实现74.计数器：8 功能8 实现85.锁存器：9 功能9 实现96.扫面显示9 功能9 实现97.top顶层文件10 功能：10 实现：108.管脚的配置：11六、误差分析：13 1. 原因132.减小误差13七、实验结论：14八、程序附录：141.分频器：142.闸门选择：153.门控电路：164.计数器：175.锁存器：196.扫面显示：207.top程序：21
2、一、实验名称：基于FPGA的数字频率计的设计二、实验目的：学习VHDL语言并使用它完成频率计的设计，使学生不断的加深对VHDL描述语言的掌握，以及不断总结由软件来实现硬件的特点，学会程序与芯片的对接，为以后的工作和更进一步的学习学习打好基础。三、实验任务： 基于FPGA采用硬件描述语言VHDL，在软件开发平台ISE上设计出一个数字频率计，使用ModelSim仿真软件对VHDL程序做仿真并下载到芯片完成实际测量。要求：其频率测量范围为10Hz10MHz，测量结果用6只数码管显示。有三个带锁按键开关(任何时候都只能有一个被按下)被用来选择1S、0.1S和0.01S三个闸门时间中的一个。有两只LED
3、，一只用来显示闸门的开与闭，另一只当计数器溢出时做溢出指示。四、实验原理：频率计的基本原理是用一个频率稳定度高的频率源作为基准时钟（本实验采用50MHz的石英振荡器作为基准时钟），对比测量其他信号的频率。通常情况下计数每秒内待测信号的脉冲个数，此时我们称闸门时间为1S，闸门时间也可以大于或小于1S。闸门时间越长，得到的频率值就准确，但闸门时间越长则每测一次频率的间隔就越长；闸门时间越短，测得频率值刷新就越快，但测得的频率精准度会受到影响。频率是指周期性信号在单位时间(一秒)内变化的次数。若在一定时间T内计得这个周期信号变化的次数为N，则其频率可表达： f=N/T所以将N和T分别测量出来即可得出
4、测量频率。因此需要的模块有：计数器、基准时钟、门控电路，由此得出基本原理图如下所示：工作原理： 把被测信号(以正弦波为例)通过脉冲形成电路转变成脉冲(实验室直接测量方波，即相当于跳过放大整形)其重复频率等于被测频率，,然后将它加到闸门的一个输入端。闸门出门控信号来控制开、闭时间，只有在闸门开通时间T内，被计数的脉冲才能通过闸门，被送到十进制电子计数器进行计数。 考虑到测量范围和显示要求，需要对上面原理图做完善，需要添加：分频器、数据锁存器、扫描显示的控制子系统(包括显示译码和扫描控制)、两只LED指示闸门通断和计数器溢出，由此得出如下完善之后原理图：五、实验步骤: 先对各个模块进行设计仿真，保
5、证每个模块的正常运行，最后将各个模块进行汇总连接，编写top顶层文件，最后对top文件进行仿真测试，测试好之后下载到芯片进行实际测量。1.分频器：1 功能：对石英振荡器产生的信号进行分频，得到10Hz、100Hz和1KHz三个基准频率，提供标准闸门时间控制信号以精确控制计数器的开闭；同时将1KHz的信号作为扫描显示译码模块的时钟，以产生扫描选择信号。2 实现：分频器的功能是由于闸门时间只有1S，0.1S，0.01S三档，且在数码管显示时采用动态扫描的方法，需要产生1kHz的扫描信号，由于本设计将下载到开发板上，其提供的标准时间是48MHz，所以要对系统的48MHz时钟信号进行分频，以产生符合要
6、求的各频率信号：先由系统时钟50MHz分频出1kHz作为数码管显示的动态扫描信号，同时产生0.01S的计数闸门信号脉冲，再由1kHz分频出100Hz产生0.1S的计数闸门信号脉冲，由100Hz分频出10Hz产生1S的计数闸门信号脉冲。由此写出分频器的VHDL程序（见程序附录1），仿真模块如图所示：到此完成了对分频器模块的设计和仿真。2.闸门选择：1 功能：实现对输入的几个闸门信号的手动选择，将选择的闸门信号有fref输出到下一个模块，同时输出小数点的控制信号dp1。2 实现：采用数字电路里所学的多路复用器原理，s(2:0)为选择端，f1,f10,f100为被选时基信号输入端，通过选择端s来控制
7、哪一个时基型号被选择输出：当s(2:0)为100时，f1的输入时基信号被选中，被赋值给输出端口fref输出，此时dp1(2)有效，其余的无效，点亮对应连接的小数点；当s(2:0)为010时，f10时基信号被选中，被赋值给输出端口fref输出，此时dp1(1)有效，其余的无效，点亮对应连接的小数点；最后当s(2:0)为001时，f100时基信号被选中，被赋值给输出端口fref输出，此时dp1(0)有效，其余的无效，点亮对应)连接的小数点。由此写出闸门选择的VHDL程序（见程序附录2），仿真模块如图所示：到此完成了对闸门选择模块的设计和仿真。3.门控电路：1 功能：控制整个频率计各模块进行时序工作
8、的控制装置，它对输入的标准时钟信号进行变换，产生我们所需要的三个信号闸门信号gate，锁存信号latch以及清零信号reset。2 实现：测量过程中，产生的上个闸门信号有着先后顺序。根据我们的测量需要，可以得出三个信号的先后为：gate、latch、reset。同时为了规避冒险，我们需要将三个信号的上升沿错开，由此采用图1所示原理进行编写VHDL程序（见程序附录3）；同时对模块进行仿真，仿真模块如图所示：到此完成了对门控电路模块的设计和仿真。4.计数器：1 功能：在门控电路的gate的控制下对输入的信号进行计数，即完成f=N/T公式中的N的测量。2 实现：采用数字电路所学的十进制计数器，并对计
9、数器采用级联的方法扩展为6位十进制计数器。由此编写其VHDL程序（见程序附录4），同时对模块进行仿真，仿真模块如图所示：到此完成了对计数器模块的设计和仿真。5.锁存器：1 功能：对计数器送来的六位计数结果和溢出信号ove_out进行锁存，保证显示数码管的数字不会跳动，方便读取数据。2 实现：采用数字电路所学的D锁存器的思想，编写能够同时对六位技术界和溢出信号进行锁存的VHDL程序（见程序附录5），编写好之后进行仿真测试，仿真模块如图所示：到此完成了对锁存器模块的设计和仿真。6.扫面显示：1 功能：对锁存器送来的数据进行动态扫描（即位选）、将六位计数结果分别翻译成七段数码管所能识别的数据（即段选
10、）。2 实现：通过用一个频率1KHz的信号来扫描一个多路选择器，实现对六位已经锁存的计数结果的扫描输出，由于1KHz相对了人眼的暂留效应已经很高了，所以显示结果不会让人感觉到闪烁。这样就可以用一个译码器来实现对六个4位二进制数的译码。译码结果再连接到一个多路选择器的输入端，同样由1KHz的信号来同步扫描选通。实现最终结果的数字显示。六位十进制数的BCD码经7段译码输出，显示十进制数。并根据档位信号确定小数点显示的位置以实现档位的显示,最后的输出全部通过下载前的固定引脚连接到LED显示管上。由此编写VHDL程序（见程序附录6），编写好之后进行仿真测试，仿真模块如图所示： 到此完成了所有模块的设计
11、和仿真，接下来就是对所有模块的汇总连接，编写top顶层文件。完成最终的设计和仿真。7.top顶层文件1 功能：将所有的模块的功能进行连接，完成频率计的设计。 2 实现：将每个模块点击ISE软件右下角窗口中的“View HDL Instantiation Template”将生成的文件拷贝到新建的top文件对应位置，并对中间的连接线进行定义，最后完成top文件的编写。仿真模块如图所示：8.管脚的配置：分配引脚，即实现设计的输入输出端口与实际芯片的输入输出端口的对应连接。参考老师提供的电路板管脚（见图1），完成对引脚的分配，得到top_fan.ucf文件（见下图）：9.下载程序： 将电路板连接好之
12、后，点击“Configure Target Device”，生成top_fan.bit文件，在将bit文件下载到电路板板中，到此完成了所有的设计。六、误差分析： 1. 原因：计数N不准，存在1误差。通过仔细分析可知，在测频时，主门的开启时刻与计数脉冲之间的时间关系是不相关的，所以它们在时间轴上的相对位置是随机的。这样，在相同的主门开启时间内，计数器所计得的数却不一定相同，当主门开启时间T接近甚至等于被测信号周期的整数倍N倍时，此项误差为最大，图4 画出的就是这种情况： 图 4 正负1误差 若主门开启时刻为，而第1个计数脉冲出现在，图 4 (a)中示出了0的情况()，这时计数器计得N个数(图中N
13、=6)；现在再来看图 4 (b)情况，即趋近于0，这就有两种可能的计数结果：若第1个计数脉冲和第7个计数脉冲都能通过主门，则可计得N+1=7个数；也可能这两个脉冲都没有能进入主门，则只能计得N-1=5个数。由此可知，最大的计数误差为个数，即存在1误差。2.减小误差：由上述的分析可知不管计数值N多少，其最大误差总是1个计数单位。当T选定后，越低，则由1误差产生的测频误差越大。一定时，增大闸门时间T，可减小1误差对测频误差的影响。因此我们在测量频率的时候尽量选择合适的闸门可以减小误差。七、实验结论：本次实验利用VHDL语言完成了基于FPGA的数字频率计的设计与实现。利用ISE和ModelSim对程
14、序设计进行了仿真、分析、综合，并最终下载到FPGA芯片中，完成了整个频率计的设计。通过此次频率计的设计试验，对频率计有了更深的认识，尤其是对频率计的工作原理以及各功能模块的实现有深入了解，同时深入的了解学习了VHDL语言，学会了如何利用ISE和ModelSim对编写的VHDL程序进行联合仿真；最后将编写好的程序下载到芯片中，让我学会了如何将程序与芯片进行对接，提高了自己的动手能力。八、程序附录：1.分频器：library IEEE;use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;use IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;entity div_f isport (clk : in std_logic;fp_10,fp_100,fp_1k : out std_logic);end div_f;architecture Behavioral of div_f issignal div_10: std_logic_vector(2 downto 0):=000;signal div_100: std_logic_vector(2 downto 0):=000;signal div_1k: std_logic_ve
