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1、 本科毕业论文(设计)题 目： 基于FPGA的多功能计数器的设计 学 院： 自动化工程学院 专 业： 电子信息科学与技术 姓 名： # 指导教师： # 2010年 6 月 8 日 基于FPGA的多功能计数器的设计The Design of Multi-function Counter Based on FPGA摘 要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Altera公司的FPGA
2、器件为主控器；在软件上，采用VHDL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 FPGA 等精度 频率计 VHDLAbstractThis article introduced one kind as designs the carrier take the large-scale programmable logic chip, the multi-purpose digital frequency meters which design
3、s from the top layer to the first floor. This frequency meter uses the monolithic integrated circuit and the frequency measurement technology unifies, increased the survey precision greatly. This article mainly includes this frequency meters design basis and realizes the method two partial contents,
4、 described its design platform, the principle of work and the software and hardware realizes. On the hardware, uses Altera Corporations FPGA component is the master controller; On the software, uses the VHDL hardware description language programming, reduced hardware source occupancy enormously. Thi
5、s digital frequency meter has the frequency measurement, the cyclical survey, the pulse width survey and the dutyfactor survey and so on many kinds of functions. The simulation and the analysis result indicated that this digital frequency meter performance is outstanding, the software design languag
6、e is flexible, the hardware is simple, the speed is quick.Keywords FPGA Equal Precision Measurement Frequency meter VHDL目 录第一章 概述11.1 多功能计数器现状11.2 频率测量方法简介2第二章 软件开发平台VHDL简介32.1 VHDL的发展32.2 VHDL的特点32.3 VHDL语言结构42.3.1 实体（ENTITY）42.3.2 结构体（ARCHITECTURE）52.4 VHDL软件设计简介6第三章 硬件开发平台现场可编程门阵列（FPGA）简介73.1 可编程
7、逻辑器件73.2 现场可编程门阵列（FPGA）73.2.1 FPGA的器件结构与工作原理83.2.2 基于EDA平台的FPGA开发流程10第四章 多功能计数器的理论基础和总体设计方案134.1 常用频率测量方法及其误差分析134.1.1 直接测频法134.1.2 测周法原理154.1.3 等精度测频原理154.2 脉冲宽度和占空比测量原理174.3 总体设计18第五章 多功能计数器的软件设计和硬件设计205.1 软件设计205.1.1 测频专用模块工作功能描述及VHDL程序215.1.2 脉冲宽度和占空比测量模块235.1.3 GATE265.1.4 测频/测周期实现265.2 硬件设计275
8、.2.1 程控放大电路285.2.2 过零比较电路285.2.3 测频主系统实现29总 结31谢 辞32参考文献33第一章 概述在信息技术高速发展的今天,电子系统数字化已成为有目共睹的趋势。从传统的应用中小规模芯片构成电路系统到广泛地应用单片机,直至今天FPGA/CPLD在系统设计中的应用,电子设计技术已迈入了一个全新的阶段。FPGA/CPLD不仅具有容量大、逻辑功能强的特点,而且兼有高速、高可靠性。同时使得硬件的设计可以如软件设计一样方便快捷,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。随着FPGA/CPLD器件的日益成熟和应用,在通信、国防、工业自动化、仪器仪表等领域的数字电子系
9、统设计工作中,它们正在成为电子设计的主要角色。基于强大的EDA技术的支持,以VHDL为主要设计手段,充分开发利用CPLD芯片丰富而灵活的逻辑资源,成为当前数字系统设计的主要发展方向。1.1 多功能计数器现状多功能计数器是一种用十进制数字显示被测信号频率、周期、占空比的数字测量仪器，是在数字电路中的一个典型应用；实际的硬件设计的多功能计数器用到的器件较多，连线比较复杂，而且会产生比较大的延时，造成测量误差、可靠性差。随着复杂可编程逻辑器件（CPLD）的广泛应用，以EDA工具作为开发手段，运用VHDL语言，将使整个系统大大简化，提高整体的性能和可靠性。它是计算机、通讯设备、音频视频等科研生产领域不
10、可缺少的测量仪器。当今VLSI的发展日新月异，FPGA的容量和速度成倍地增长，而价格却逐年下降，这将使得基于FPGA设计的多功能计数器优势更加明显。采用VHDL编程设计实现的多功能计数器，除被测信号的整形部分、键输入部分和数码显示部分以外，其余全部在一片FPGA芯片上实现，具有体积小、可靠性高、功耗低的特点；整个系统非常精简，且具有灵活的现场可更改性。通过改装，可以测量脉冲宽度，做成数字脉宽测量仪；可以测量电容做成数字电容测量仪；在电路中增加传感器，还可以做成数字脉搏仪、计价器等。因此多功能计数器在测量物理量方面及航天、电子、测控、仪器仪表、通信等领域应用广泛。近年来，高精度频率测量仪器广泛应
11、用在晶体或晶体振荡器等需求量大和要求高精度的行业、越来越多的电子产品要求具备高性能和低功耗的特点，通常一块印刷电路板会布置多个晶体或晶体振荡器、一般精度的频率测量仪不能满足对其测量要求，而满足测量要求的仪器又都是作为频率计量基准，应用于国家科研院所。这此仪器设计复杂、体积庞大、价格昂贵，很难在短期内推广。因此，设计一款测量精度高、成木较低的频率测量仪显得十分必要。 这里介绍的计数器设计精良，操作简便，精确度高，测量范围广, LCD荧幕全功能显示，兼具备测频、测周期功能，且成本较低.并具有良好的市场前景及经济效益。1.2 频率测量方法简介根据测频工作原理可将频率测量方法分成以下几类:1) 是利用
12、电路的某种频率响应特性来测量频率，谐振测频法和电桥测频法是这类 测量方法的典型代表:前者常用于低频段的测量，后者主要用于高频或微波频段的测量。谐振法的优点是体积小、重要轻、不要求电源等，目前仍获得广泛应用。2) 是利用标准频率与被测频率进行比较来测量频率，采用比较法测量频率，其准确度取决于标准频率的准确度。拍频法、示波器法以及差频法等均属此类方法。拍频法和示波器法主要用于低频段的测量，差频法则用于高频段的频率测量，它的显著优点是测试灵敏度高1。以上两种方法适合于模拟电路中实现，但是模拟电路没有数字电路稳定，因此数字电路出现后，马上就出现了数字频率计。目前广泛使用的计数测频法则适合于数字电路实现
13、。该方法是根据频率的定义，记下单位时间内周期信号的重复次数，因此又称为电子计数器测频法。常用数字频率测量方法有M法，T法和法。M法是在给定的闸门时间内，测量被测信号的脉冲个数再进行换算得出被测信号的频率，其测量精度取决于闸门时间的准确度和被测信号频率。当被测信号频率较低时将产生较大误差，除非闸门时间取得很大。T法是通过测量被测信号的周期，然后换算得出被测信号的频率。其测量精度取决于被测信号的周期和计时精度，测信号频率较高时，对计时精度的要求就很高。法具有以上2种方法的优点，它通过测量被测信号数个周期的时间，然后换算得出被测信号的频率，可兼顾低频与高频信号，提高了测量精度。但是，M法，T法和法都
14、存在计数误差问题。M法在规定闸门时间内存在个被测信号的脉冲计数误差，T法或法也存在个字的计时误差。这个问题成为限制测量精度提高的一个重要原因。本设计在研究总结上述方法的基础上，得出了一种新的频率测量方法，该方法利用等精度测频方法消除限制测量精度提高的个数字误差问题，从而使频率测量的精度和性能大为改善。然而一种新的方法的实际应用比提出来更难，要考虑各种可能的问题，首先就是由于采用的新的设计方法使得电路的复杂程度成倍增加，因此如果还采用传统数字电路来实现则将使PCB板面积变得异常庞大与复杂。信号走线长，导致系统误差增大，难以提高系统的工作频率，此外，PCB板的集成度不高还将导致高频信号容易受到外界的干扰，反而可能降低测频精度。由于可编程逻辑器件能很好地克服了以上缺点，大大提高系统时钟，因此本设计将介绍由现场可编程门阵列(FPGA) 来实现等精度频率计。第二章 软件开发平台VHDL简介2.1 VHDL的发展VHDL诞生于1982年。在1987年底，VHDL被IEEE和美国国防部确认为标准硬件描述语言 。自IEEE公布了VHDL的标准版本，IEEE-1076（简称87版)之后，各EDA公司相继推出了自己的VHDL设计环境，或宣布自己的设计工具可以和VHDL接口。此后VHDL在电子设计领域得到了广泛的接受，并逐步取代了原有的非标准的硬件描述语言。而
