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1、题 目 电子测频仪的设计 i 摘摘 要要 电子测频仪是一种基本的测量仪器 是用数字显示被测信号频率的 仪器 被测信号可以是正弦波 方波或其它周期性变化的信号 因此 它被广泛应用与航天 电子 测控等领域 它的基本测量原理是 首先 让被测信号与标准信号一起通过一个闸门 然后用计数器计数信号脉冲 的个数 把标准时间内的计数的结果 用锁存器锁存起来 最后用显示 译码器 把锁存的结果用 LED 数码显示管显示出来 根据数字频率计 的基本原理 本文设计方案的基本思想是分为五个模块来实现其功能 即整个数字频率计系统分为分频模块 防抖电路 计数模块 锁存器模 块和显示模块等几个单元 并且分别用 VHDL 对其
2、进行编程 实现了 闸门控制信号 计数电路 锁存电路 位选电路 段选电路 显示电路 等 本文详细论述了利用 VHDL 硬件描述语言设计 并在 EDA 电子 设计自动化 工具的帮助下 用大规模可编程器件 CPLD 实现数字 频率计的设计原理及相关程序 该设计方案对其中部分元件进行编程 实现了闸门控制信号 多路选择电路 计数电路 位选电路 段选电 路等 频率计的测频范围 10KHz 9 9MHz 该设计方案通过了 Max plus 软件仿真 硬件调试和软硬件综合测试 关键词关键词 数字频率计 电子设计自动化 大规模可编程器件 硬件描述语 言 ii 目目 录录 摘 要 i 目 录 ii 第 1 章 绪
3、 论 1 第 2 章 电子测频仪的设计原理 5 2 1 电子测频仪的基本组成 5 2 2 电子测频仪的分类 6 2 4 电子测频仪的基本工作原理 6 2 5 电子测频仪技术指标及误差分析 8 第 3 章 CPLD 简介 10 3 1 CPLD 器件结构简介 10 3 2 典型 CPLD 器件简述 12 3 3 CPLD 的编程工艺 14 3 4 新技术的应用 15 第 4 章 电子测频仪设计环境简介 17 4 1 Quartus 开发软件简介 17 4 1 1 图形用户界面设计流程 18 4 1 2 EDA 工具设计流程 18 4 1 3 Quartus 软件的主要设计特性 18 第 5 章
4、电子测频仪的设计 21 5 1 电子测频仪设计任务及要求 21 5 2 设计实现 21 5 3 功能模块设计 23 5 4 下面分别介绍各模块基于 VHDL 的设计方法 23 5 5 顶层文件的编写 41 5 6 程序说明 44 iii 5 7 系统仿真 44 第 6 章 结 论 46 致 谢 47 参 考 文 献 48 1 第第 1 1 章章 前言前言 软件编程对其器件的结构和工作方式进行重构 能随时进行设计调 整而满足产品升级 使得硬件的设 CPLD 是一种新兴的高密度大规模可 编程逻辑器件 它具有门阵列的高密度和 PLD 器件的灵活性和易用性 目前已成为一类主要的可编程器件 可编程器件的
5、最大特点是可通过计 可以如软件设计一样方便快捷 从而改变了传统数字系统及用单片机构 成的数字系统的设计方法 设计过程及设计概念 使电子设计的技术操 作和系统构成在整体上发生了质的飞跃 采用 CPLD 可编程器件 可利用计算机软件的方式对目标期进行设 计 而以硬件的形式实现 既定的系统功能 在设计过程中 可根据需 要随时改变器件的内部逻辑功能和管脚的信号方式 借助于大规模集成 的 CPLD 和高效的设计软件 用户不仅可通过直接对芯片结构的设计实 现多种数字逻辑系统功能 而且由于管脚定义的灵活性 大大减轻了电 路图设计和电路板设计的工作量及难度 同时 这种基于可编程芯片的 数量 缩小了系统的体积
6、提高了系统的可靠性 EDA 电子设计自动 化 技术就是以计算机为工具 在 EDA 软件平台上 对硬件语言 HDL 为系统逻辑描述手段完成的设计文件 自动的完成逻辑编译 逻辑化简 逻辑综合及优化 逻辑仿真 直至对特定目标芯片的适配编译 逻辑映 射和编程下载等工作 文本选用的开发工具为 Altera 公司的 MAX PLUS II EDA 的仿真测试技术只需要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 大大提高了大规模系统电子设计的自动化程度 设计者的工作 仅限于利用软件方式 即利用硬件描述语言 如 VHDL 来完成对系统 硬件功能的描述 VHD
7、L 语言 Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language 超高速集成电路硬件描述语言 诞生于 1982 年 是由美国国防部开发的一种快速设计电路的工具 1985 年正式推出是 2 目前标准化程度最高的硬件描述语言 IEEE The Institute of Electrical and Electronics Engineers 于 1987 年将 VHDL 采纳为 IEEE1076 标准 VHDL 经过十几年的发展 应用和完善以其强大的系统描述能力 规范 的程序设计结构 灵活的语言表达风格和多层次的仿真测试手段
8、在电子 设计领域受到了普遍的认同和广泛的接受成为现代 EDA 领域的首选硬 件描述语言 目前流行的 EDA 工具软件全部支持 VHDL 它在 EDA 领 域的学术交流 电子设计的存档 专用集成电路 ASIC 设计等方面 担任着不可缺少的角色 有专家认为在 21 世纪 VHDL 与 Verlog HDL 语言将承担起几乎全部的数字系统设计任务 显然 VHDL 是现代电子 设计师必须掌握的硬件设计计算机语言 1 具有一下几个特点 VHDL 具有强大的功能覆盖面广描述能力强 VHDL 支持门级电路的描述也支持以寄存器 存储器 总线及运算单元 等构成的寄存器传输级电路的描述还支持以行为算法和结构的混合
9、描述 为对象的系统级电路的描述 2 VHDL 有良好的可读性 它可以被计算机接受也容易被读者理解 用 VHDL 书写的源文件既是程序又是文档既是工程技术人员之间交换 信息的文件又可作为合同签约者之间的文件 3 VHDL 具有良好的可移植性 作为一种已被 IEEE 承认的工业标 准 VHDL 事实上以成为通用的硬件描述语言可以在各种不同的设计环 境和系统平台中使用 4 使用 VHDL 可以延长设计的生命周期 用 VHDL 描述的硬件电 路与工艺无关不会因工艺而使描述过时 与工艺有关的参数可以通过 VHDL 提供的属性加以描述工艺改变时只需要修改相应程序中属性参数 即可 5 VHDL 支持对大规模
10、设计的分解和已有设计的再利用 VHDL 可 以描述复杂的电路系统支持对大规模设计的分解由多人 多项目组来共 同承担和完成 标准化的规则和风格为设计的再利用提供了有利的支持 3 6 VHDL 有利于保护知识产权 用 VHDL 设计的专用集成电路 ASIC 在设计文件下载到集成电路时可以采用一定保密措施使其不 易被破译和窃取 目前已成为 IEEE The Institute of Electrical and Electronics Engineers 的一种工业标准硬件描述语言 相比传统的电路系统的设计 方法 VHDL 具有多层次描述系统硬件功能的能力 支持自顶向下 Top to Down 和基
11、于库 Library based 的设计的特点 因此设计者 可以不必了解硬件结构设计 从系统设计入手 在顶层进行系统方框图 的划分和结构设计 在方框图一级用 VHDL 对电路的行为进行描述 并进行仿真和纠错 然后在系统一级进行验证 最后再用逻辑综合优化 工具生成具体的门级逻辑电路的网表 下载到具体的 CPLD 器件去 从 而实现可编程的专用集成电路 ASIC 的设计 基于 EDA 技术的设计方法为自顶向下设计 其步骤是采用可完全 独立于目标器件芯片物理结构的硬件描述语言 在系统的基本功能或行 为级上对设计的产品进行行为描述和定义 结合多层次的仿真技术 在 确保设计的可行性与正确性的前提下 完成
12、功能确认 然后利用 EDA 工具的逻辑综合功能 把功能描述转换为某一具体目标芯片中 如 CPLD 芯片 使该芯片能够实现设计要求的功能 使电路系统体积大 大减少 可靠性得到提高 电子测频仪是数字电路中的一个典型应用 实际的硬件设计用到的 器件较多 连线比较复杂 而且会产生较大的延时 造成测量误差 可 靠性差 随着可编程逻辑器件 CPLD 的广泛应用 以 EDA 工具为开 发平台 运用 VHDL 语言 将使系统大大简化 提高整体的性能和可 靠性 本文用 VHDL 在 CPLD 器件上实现一种电子测频仪测频系统 能 够用十进制数码管显示被测信号的频率 不仅能测量频率 还可以测量 4 其他多种物理量
13、 具有体积小 可靠性高 功耗低的特点 5 第第 2 2 章章 电子测频仪的设计原理电子测频仪的设计原理 2 1 电子测频仪的基本组成电子测频仪的基本组成 电子测频仪的基本测试功能有 频率 周期 时间间隔 计数 频 率比 自较等 要完成诸多的测试功能 这就要求电子测频仪具有积木 式的电路结构 如图 2 1 图 2 1 电子测频仪的基本组成 在不同的测试功能下 即使是同一电路 电路的作用却不同 如同 积木那样进行组合 例如 闸门电路的两个输入端 一个端子是时基输 入 另一个端子是时标输入 利用时基开信号闸门 开门期间对时标计 数 但在不同的功能下 时基 时标的意义不同 测频时 用被测信号 形成时基
14、 标准信号形成时基 如图 2 2 所示 图 2 2 测频率的基本形式 电子测频仪最基本的功能是在开闸门的期间累计脉冲个数 如果闸 门信号是用高稳定度的频率源产生 将使测量精度大为提高 目前已达 被测 信号 测量通道 逻辑控制 译码器 计数器 闸门 显示器 被测信号 时标 计数 脉冲 时基 标准信号 闸 门 6 到 是众多物理量测量中精度最高的 所以许多物理量都希望转化 13 10 为电信号 再用数字频率机机测量 例如 电压量用 A D 变换器转换 为闸门时间 用数字频率计累计闸门期间的时钟脉冲个数 就构成了数 字电压表 力或重力用传感器转换为电信号机 用电子测频仪脊神经 就构成电子称 电子计数
15、已一种成熟的测量方法 特别是可采用高度集 成的器件 组装 调试方便 价格低廉 是数字化测量的基础 2 2 电子测频仪的分类电子测频仪的分类 按功能分 有通用计数器 时间计数器 特种计数器 按测频的上 限值分 有低速计数器 带宽小于 10MHz 中速计数器 带宽 10M 100MHz 高速计数器 上限频率大于 100MHz 微波计数器 1 80 GHz 测试功能 是指仪器所具有的测试项目 如测频 测时间间隔等 频率范围 被测信号的频率宽度 输入特性 电子测频仪设置 2 3 个信号通道 在不同的测试功能下 被测信号进入不同的通道 输入特性指的是通道特性 包括 输入灵敏度 使仪器正常工作的输入电压最
16、小值 最大输入电压 仪器允许的最大输入电压的峰值 输入阻抗 输入电阻和电容的并联值 100MHz 以下的电子测频仪 典型值为 1M 25pF 高频时应采用 50的匹配阻抗 测量的准确度 用测量误差表示 石英晶体的测频仪稳定度一般优于 9 10 闸门时间和时标 由标准频率分频或倍频产生 供测量时选择 显示方式 显示的位数 显示时间等 输出 输出哪种标准信号 输出信号的电平 编码方式 2 4 电子测频仪的基本工作原理电子测频仪的基本工作原理 鉴于电子测频仪积木式电路结构 闸门的两个输入端分别加时标和 时基 由功能开关切换 但在不同的测试功能下 时基和时标所代表的 7 意义不同 所组成的测试方案也各不相同 为实现以上方案 常需要一 些单元电路 电子测频仪的原理框图如图 2 3 所示 脉冲发生器 信 号 整 形 电 路 锁存器 译 码 驱 动 电 路 计 数 器 测频控制信号发生 电路 数 码 显 示 图 2 3 电子测频仪的原理框 电子测频仪是直接用十进制数字来显示被测信号频率的一种测量装 置 它不仅可以测量正弦波 方波 三角波和尖脉冲信号的频率 而且 还可以测量他们的周期 电子测频仪在测量
