基于fpga控制的数字频率计设计（含程序、仿真图） 大学学位论文.doc

目 录 1 引言 1 1.1 课题背景 1 1.2 课题意义 2 1.3 国内外现状及发展趋势 2 1.4 系统开发环境及技术分析 3 1.4.1 FPGA开发简介 3 1.4.2 VHDL特点及设计方法 5 2 需求分析 7 2.1 系统基本要求 7 2.2 系统结构 7 3 系统设计 8 3.1 总体方案比较 8 3.2 程序流程图 10 3.3 系统模块设计 11 3.3.1 整形电路 11 3.3.2 计数器 12 3.3.3分频器 14 3.3.4锁存器 16 3.3.5控制器 18 3.3.6 显示器 22 4 系统仿真及测试 23 结 论 29 致 谢 30 参 考 文 献 31 附录1 32 附录2 35 1 引言 1.1 课题背景 进入信息时代以来，微电子技术和计算机技术飞速发展, 各种电子测量仪器在原理、功能、精度及自动化水平等方面都发生了巨大的变化, 特别是DSP技术诞生以后，电子测量技术更是迈进了一个全新的时代[1]。近年来，DSP逐渐成为各种电子器件的基础器件，逐渐成为21世纪最具发展潜力的朝阳行业，甚至被誉为信息化数字化时代革命旗手。在电子技术领域内，频率是一个最基本的参数，频率与其它许多电参量的测量方案、测量结果都有十分密切的关系。如时间，速度等都涉及到或本身可转化为频率的测量。因此，频率的测量就显得更为重要。而且，目前在电子测量中，频率的测量精确度是最高的.现在市场上有各种多功能，高精度，高频率的数字频率计，但价格不菲。而在实际工程中，不是对所有信号的频率测量都要求达到非常高的精度。因此，本文提出了一种能满足一般测量精度要求，但成本低廉的数字频率计的设计方案。在电子工程中、资源勘探、仪器仪表等相关应用中，频率计是工程技术人员必不可少的测量工具。数字频率计是计算机，通信设备，音频视频等科研生产领域不可缺少的车辆仪器，采用VHDL语言编程设计实现的数字频率计，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在一片FPGA芯片上实现，整个设计过程变得十分透明，快捷和方便，特别是对于各层次电路系统的工作时序的了解显得尤为准确而且具有灵活的现场可更改性。在不更改硬件电路的基础上对系统进行各种改进，还可以进一步提高系统的性能和测量频率的范围。该数字频率计具有高速、精确、可靠、抗干扰性强，而且具有现场可编程等优点。随着微电子技术和计算机技术的飞速发展，现代电子系统的设计和应用进入一个全新的时代。在电子技术设计领域，可编程逻辑器件已得到广泛普及和应用，高性能但结构简单的电子技术产品已经成为市场主体，通过软件编程可对可编程逻辑器件的结构和工作方式进行重构，使得硬件设计可以和软件设计一样方便快捷，为数字系统的设计带来极大的灵活行。 1.2 课题意义 在电子测量技术中，频率是最基本的参数之一，并且与许多电参量的测量方案、测量结果都有十分密切的关系，测量频率是电子测量技术中最常见的测量之一。不少物理量的测量,如时间、速度等都涉及或本身可转化为频率的测量。它与许多电参量和非电量的测量都有着十分密切的关系。例如，许多传感器就是将一些非电量转换成频率来进行测量的，因此频率的测量就显得更为重要。数字频率计是用数字来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。而传统的频率计测量精度随着频率的下降而降低，测量范围也较窄，因此逐渐被新型的数字频率计所代替。数字频率计广泛采用了高速集成电路和大规模集成电路，使得仪器的体积更小、耗电更少、精度和可靠性更高[1] 。目前,市场上有各种多功能、高精度、高频率的数字频率计,但价格不菲。而在实际工程中,并不是对所有信号的频率测量都要求达到非常高的精度因此，频率的测量就显得更为重要。测量频率的方法有多种，其中电子计数器测量频率具有精度高、使用方便、测量迅速，以及便于实现测量过程自动化等优点，是频率测量的重要手段之一。以往的大多数传统数字频率计一般由分离元件搭接而成,其测量范围、测量精度和测量速度都受到很大的限制。因此基于FPGA的数字频率计频率计以其测量准确、精度高、方便、价格便宜等优势将得到广泛的应用。 1.3 国内外现状及发展趋势 FPGA是现场可编程门阵列的英文简称，全称为Field Programmable Gate Array ,是20世纪70年代发展起来的一种新型立即器件是目前数字系统设计的主要硬件基础[2]。其在结构上由逻辑功能块排列为阵列，并由可编程的内部连线连接这些功能块，实现一定的逻辑功能。FPGA技术是一门实践性很强的学科，最终目的是让用户通过硬件描述语言编程来配置芯片的内部连接和元器件参数，以获得所需的电路功能。使得设计方法从 “电路设计-----硬件搭试----焊接”的传统方式转到“功能设计---软件模