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基于的数字频率计的设计.doc
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1、 基于 FPGA 的数字频率计的设计 学生专业:学生姓名:指导教师:摘要 数字频率计是近代电子技术领域的重要测量工具之一,同时也是其它许多领域广泛应用的测量仪器。它在规定的基准时间内把测量的脉冲数记录下来,换算成频率并以数字形式显示出来。在许多测量方案以及测量结果中都会涉及到频率测量的相关问题,频率精确测量的重要性显而易见。本设计在了解频率计的基本原理的基础上,基于直接测频法的测试手段,即在一定闸门时间内测量被测信号的脉冲个数;设计频率计的测量范围为1Hz-99.99MHz。将设计分为六个模块,即顶层模块,分频模块,计数模块,单位选择模块,数码管位选模块,转换模块。采用硬件描述语言 Veril
2、og HDL 编写了各个模块的代码,并且运用Quartus II 软件平台进行了功能的仿真,从而完毕输入被测频率,通过选择不同档位,精确输出测量值,达成了预期目的。关键词关键词 数字频率计;直接测频法;Verilog HDL;Quartus II Abstract Digital frequency meter modern electronic technology is one of the important measurement tools and other areas widely used measuring instrument.It stipulated in the be
3、nchmark time to measure the number of pulses recording,the conversion into frequency and displayed in digital form.In many survey scheme and measurement results involve frequency measurements of related problems,the importance of accurate measurement of frequency is obvious.This design in understand
4、ing the basic principle of the frequency meter,on the basis of direct frequency measurement method based on the means testing,that is,in a certain gate time measurement of the measured signal pulse number;Design the frequency meter measuring range of 1 Hz-99.99 MHz.Will design is divided into six pa
5、rts,a top-level module,points frequency modules,count module,the unit choose module,digital tube a chosen module,conversion module The hardware description language Verilog HDL write each module of the code,and make use of Quartus II software platform functions of the simulation.Then measured input
6、frequency,by choosing different rank,precise output measured values,and reach the expected goal.Keywords Digital frequency plan;Direct frequency measurement method;Verilog HDL;Quartus II 目录 摘要.错误错误!未定义书签。未定义书签。Abstract.错误错误!未定义书签。未定义书签。第 1 章 绪论.错误错误!未定义书签。未定义书签。1.1 课题背景和意义.错误错误!未定义书签。未定义书签。1.2 国内外发展
7、情况.错误错误!未定义书签。未定义书签。第 2 章 频率计测量原理及 Verilog HDL 概述.错误错误!未定义书签。未定义书签。2.1 数字频率计测量原理.错误错误!未定义书签。未定义书签。2.1.1 直接计数测频法.错误错误!未定义书签。未定义书签。2.1.2 等精度测频法.错误错误!未定义书签。未定义书签。2.1.3 全同步测频法.错误错误!未定义书签。未定义书签。2.2 Verilog HDL 概述.错误错误!未定义书签。未定义书签。2.2.1 Verilog HDL 介绍.错误错误!未定义书签。未定义书签。2.2.2 Verilog HDL 程序开发流程.错误错误!未定义书签。未
8、定义书签。2.3 本章小结.错误错误!未定义书签。未定义书签。第 3 章 数字频率计模块设计.错误错误!未定义书签。未定义书签。3.1 数字频率计设计指标.错误错误!未定义书签。未定义书签。3.2 数字频率计各个模块.错误错误!未定义书签。未定义书签。3.2.1 顶层模块 fre_counter.错误错误!未定义书签。未定义书签。3.2.2 分频模块 clk_gen.错误错误!未定义书签。未定义书签。3.2.3 计数模块 count.错误错误!未定义书签。未定义书签。3.2.4 单位控制模块 count_4units.错误错误!未定义书签。未定义书签。3.2.5 数码管位选模块 led_sel
9、.错误错误!未定义书签。未定义书签。3.2.6 转换模块 transform.错误错误!未定义书签。未定义书签。3.3 本章小结.错误错误!未定义书签。未定义书签。第 4 章 数字频率计仿真.错误错误!未定义书签。未定义书签。4.1 分频模块仿真波形.错误错误!未定义书签。未定义书签。4.2 计数模块仿真波形.错误错误!未定义书签。未定义书签。4.3 单位控制模块仿真波形.错误错误!未定义书签。未定义书签。4.4 数码管位选模块.错误错误!未定义书签。未定义书签。4.5 转换模块.错误错误!未定义书签。未定义书签。4.6 本章小结.错误错误!未定义书签。未定义书签。第 5 章 芯片介绍和管脚分
10、派.错误错误!未定义书签。未定义书签。5.1 FPGA 芯片介绍.错误错误!未定义书签。未定义书签。5.2 代码管脚分派图.错误错误!未定义书签。未定义书签。5.3 顶层原理图效果图.错误错误!未定义书签。未定义书签。5.4 本章小结.错误错误!未定义书签。未定义书签。结论.错误错误!未定义书签。未定义书签。致谢.错误错误!未定义书签。未定义书签。参考文献.错误错误!未定义书签。未定义书签。附录 1 程序源代码.错误错误!未定义书签。未定义书签。CONTENTS Abstract(Chinese).错误错误!未定义书签。未定义书签。Abstract(English).错误错误!未定义书签。未定
11、义书签。Chapter 1 Introduction.错误错误!未定义书签。未定义书签。1.1 Background and Significance.错误错误!未定义书签。未定义书签。1.2 Domestic and foreign development.错误错误!未定义书签。未定义书签。Chapter 2 Principle and Verilog HDL overview.错误错误!未定义书签。未定义书签。2.1 Measuring principle.错误错误!未定义书签。未定义书签。2.1.1 Direct count frequency measurement method.错误
12、错误!未定义书签。未定义书签。2.1.2 Precision frequency measurement method.错误错误!未定义书签。未定义书签。2.1.3 With all BuCe frequency method.错误错误!未定义书签。未定义书签。2.2 Verilog HDL overview.错误错误!未定义书签。未定义书签。2.2.1 Verilog HDL introduction.错误错误!未定义书签。未定义书签。2.2.2 Verilog HDL program development processes.错误错误!未定义书签。未定义书签。2.3 Chapter su
13、mmary.错误错误!未定义书签。未定义书签。Chapter 3 Digital frequency plan module design.错误错误!未定义书签。未定义书签。3.1 Digital frequency plan design index.错误错误!未定义书签。未定义书签。3.2 Digital frequency plan each module.错误错误!未定义书未定义书签。签。3.2.1 Fre_counter top-level module.错误错误!未定义书签。未定义书签。3.2.2 Points clk_gen frequency modules.错误错误!未定义书
14、签。未定义书签。3.2.3 Count count module.错误错误!未定义书签。未定义书签。3.2.4 The unit control module count_4units.错误错误!未定义书签。未定义书签。3.2.5 Digital tube a choose led_sel module.错误错误!未定义书签。未定义书签。3.2.6 Conversion module transform.错误错误!未定义书签。未定义书签。3.3 Chapter summary.错误错误!未定义书签。未定义书签。Chapter 4 Digital frequency plan simulatio
15、n.错误错误!未定义书签。未定义书签。4.1Points frequency modules simulation waveform.错误错误!未定义书签。未定义书签。4.2 Count module simulation waveform.错误错误!未定义书签。未定义书签。4.3 The unit control module simulation waveform.错误错误!未定义书签。未定义书签。4.4 Digital tube a chosen module.错误错误!未定义书签。未定义书签。4.5 Conversion module.错误错误!未定义书签。未定义书签。4.6 Chap
16、ter summary.错误错误!未定义书签。未定义书签。Chapter 5 Chip introduction and tube foot distribution.错误错误!未定义书签。未定义书签。5.1 Introduced FPGA chip.错误错误!未定义书签。未定义书签。5.2 The code to pin assignment graph.错误错误!未定义书签。未定义书签。5.3 Top principle diagram rendering.错误错误!未定义书签。未定义书签。5.4 Chapter summary.错误错误!未定义书签。未定义书签。Conclusion.错误
17、错误!未定义书签。未定义书签。Acknowledgement.错误错误!未定义书签。未定义书签。References.错误错误!未定义书签。未定义书签。Appendix 1 program.错误错误!未定义书签。未定义书签。第1章 绪论 1.1 课题背景和意义 随着数字电路应用越来越广泛,传统的通用数字集成电路芯片已经很难满足系统功能的规定,并且随着系统复杂限度的不断增长,所需通用集成电路的数量呈爆炸性增长,使得电路板的体积迅速膨胀,系统可靠性难以保证1。此外,现代电子产品的生命周期都很短,一个电路也许要在很短的时间内作改善以满足新的功能规定,对于通用集成电路来说则意味着重新设计和重新布线。而
18、可编程逻辑器件克服了上述缺陷,它把通用集成电路通过编程集成到一块尺寸很小的硅片上,成倍缩小了电路的体积,同时由于走线短,减少了干扰,提高了系统的可靠性2。频率计在电子产品开发中也是广受重视的领域。很多厂家根据各种实际应用需要开发出了很多不同性能、不同档次的各类频率计产品3。产品的不断更新换代也促进了相关频率测量理论和频率计开发技术的不断进步。在高校相关专业,频率理论也是非常重要的教学内容4。在基础实验中,运用频率测量器件进行信号频率的测量更是必备基本操作技能之一。在开发性和综合性实验中,运用各种手段进行频率计的设计和开发也是一个重要课题5。1.2 国内外发展情况 电子计数器是其它数字化仪器的基
19、础,在它的输入通道接入各种模-数变换器,再运用相应的换能器便可制成各种数字化仪器。电子计数器的优点是测量精度高、量程宽、功能多、操作简朴、测量速度快、直接显示数字,并且易于实现测量过程自动化,在工业生产和科学实验中得到广泛应用6。它的重要实现方法有直接式、锁相式、直接数字式和混合式四种。直接式的优点是速度快、相位噪声低,但结构复杂、杂散多,一般只应用在地面雷达中7。锁相式和直接数字式都同时具有容易实现产品系列化、小型化、模块化和工程化的特点,其中,锁相式更是以其容易实现相位同步的自动控制且低功耗的特点成为众多业内人士的首选,应用最为广泛8。频率计的发展也经历了从模拟到数字,从分立到集成、单片机
20、(如美国Intersil 公司研发的 ICM7216D)、再到可编程逻辑器件(CPLD 和 FPGA)的漫长发展过程9。我国运用相检宽带测频技术设计的高精度频率计也非常具有突破性和实用性。如我国的 XDU-17 型高分辨频率计。在 2023 年我国还研制出了中国模拟测振仪,它采用通用微机,通过“东方科卡”和“DASP”、“PDB”等大型软件实现的“PC 卡泰”微机卡式自动检测分析仪器,是专门设计的集数据采集,信号解决,故障诊断,模态分析,桩基检测,噪声与声强测量,动力学修改和响应计算等多种功能于一体的独创性产品10。实现手段的进步使得频率计的性能、功能、性价比、可靠性等指标不断提高。目前频率计
21、重要靠以下三个电路进行设计11:(1)基于分立器件的模拟电路实现:即采用传统分立器件自下而上设计实现,这种方法在电子技术发展的初期采用较多。(2)基于单片机的数字电路实现:即以技术及应用都非常成熟的单片机为核心控制部件加上中规模集成数字器件来实现。(3)基于可编程逻辑器件的数字电路实现:即除了脉冲整形、键盘输入和显示等少部分电路外,频率计其余重要电路都用可编程逻辑器件来实现。第2章 频率计测量原理及 Verilog HDL 概述 2.1 数字频率计测量原理 为了准确测量频率,人们研究出了很多方法。频率测量的准确度重要取决于所测量的频率范围和被测对象的特点。而测量所能达成的精度,既取决于基准频率
22、源的精度,也取决于所使用的测量设备和测量方法12。下面介绍几种常用频率测量方法,分析各自优缺陷。2.1.1 直接计数测频法 目前广泛使用的直接测频法则适合于数字电路实现,该方法是根据频率的定义,记下单位时间内周期信号的反复次数,因此又称为电子计数器测频法13。其中最基本方法是直接计数测频法,它又涉及以下 2 种重要测量方法:1.直接测频法 又称 M 法,其测频原理如图 2-1 所示。其基本原理是选用一个频率较低的标准频率信号作为闸门信号,而将被测较高频率信号作为填充脉冲,在拟定的闸门时间 T 内,记录被测信号的变化周期数 N,则可知被测信号的频率为:xNfT (2-1)T标准闸门被测信号脉冲
23、图 2-1 直接测频法原理 误差分析:此法测量误差重要取决于闸门时间 T 和计数器计数的准确度,因此总误差可用分项误差绝对值线性相加表达:001xxxfffTff (2-2)式中,11xNTfNN是最大量化误差的相对值,它的产生是由于测频时,闸门的启动时刻与被测计数脉冲的时间关系不相关导致的,即在相同的闸门启动时间内,计数器所得的数并不一定相同14。当闸门时间启动时间 T 接近甚至等于被测信号周期 TX的整数倍时,最大量化误差为 N=1 个数。00fTfT为闸门时间相对误差,重要由时基电路标准频率的准确度决定15。通常,对闸门时间准确度00ff的规定是根据所规定的测频准确度而提出的,为了使闸门
24、时间频率误差不对测量结果产生影响,标准频率的准确度应高于被测信号准确度至少 1 个数量级,即001xffTf。因此,测量较高的信号频率时,假如 f0一定,闸门时间 T 越长,测量准确度越高;反之当 T 选定后,xf越高,1 个计数误差对测量结果的影响越小,测量准确度越高。根据以上介绍和分析可知直接测频法比较适合于高频信号的测量16。2.直接测周期法 又称 T 法,其测频原理如图 2-2 所示。其基本原理是选被测信号作为闸门信号,而将频率较高的标准频率信号作为填充脉冲进行计数。设标准频率信号的频率为 f0,在一个闸门时间计数值为 N,则被测信号的频率为:0 xffN (2-3)标准闸门被测信号脉
25、冲 图 2-2 直接测周期法原理 综上可知,直接计数测频法(涉及直接测频法和直接测周期法)的优点是原理简朴、测量方便、读数直接,可以在比极宽的频率范围内进行测量17。缺陷是由于存在对被测信号或标频信号计数的 1 个数字误差,难以兼顾低频和高频实现等精度测量,所以总体来说测量精度较低。2.1.2 等精度测频法 等精度测频法(M/T 法),又叫多周期同步测频法,是在直接计数测频法基础上发展起来的,在目前的测频系统中应用比较广泛18。其测量原理波形如图 2-3 所示,测量原理框图如图 2-4 所示。该法同时具有 M 法和 T 法的优点,它通过测量被测信号数个周期的标频计数次数,然后换算得出被测信号的
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