课程设计频率测量仪设计 大学学位论文.doc

摘 要 本文介绍了一种自顶向下分层设计多功能数字频率计的设计方法。该频率计采用VHDL硬件描述语言编程以MAX+PLUSⅡ为开发环境，极大地减少了硬件资源的占用。数字频率计模块划分的设计具有相对独立性，可以对模块单独进行设计、调试和修改，缩短了设计周期。该数字频率计的测量范围为l0Hz～10MHz，响应时间小于等于15秒；其测试结果由4只七段数码管稳定显示，测量误差小于等于1％ 。仿真波形与分析结果表明，所设计的电路通过硬件仿真能够满足数字频率计的功能要求，具有理论与实践意义，实现了电子电路自动化的过程。数字频率计模块划分的设计具有相对独立性，可以对模块单独进行设计、调试和修改，缩短了设计周期。 关键词：VHDL 数字频率计 EDA MAX+PLUSⅡ 第一章 概述 第一节 课题研究背景 数字频率计是电子测量与仪表技术最基础的电子仪表类别之一, 数字频率计是计算机、通讯设备、音频视频等科研生产领域不可缺少的测量仪器 第二章 VHDL程序语言和FPGA简介 一 VHDL程序语言介绍: VHDL语言描述能力强，覆盖面广，抽象能力强，可读性好，既能被人容易读懂又能被计算机识别。VHDL语言中设计实体，程序包，涉及库，为设计人员重复利用别人的设计提供了技术手段。 当电路系统采用VHDL语言设计其硬件时，与传统的电路设计方法相比较，具有如下的特点： 采用自上而下的设计方法。 即从系统总体要求出发，自上而下地逐步将设计的内容细化，最后完成系统硬件的整体设计。在设计的过程中，对系统自上而下分成三个层次进行设计： 第一层次是行为描述。第二层次是RTL方式描述。第三层次是逻辑综合。 二.系统可大量采用PLD芯片。 利用VHDL语言设计数字系统时，可以根据硬件电路的设计需要，自行利用PLD设计自用的ASIC芯片，而无须受通用元器件的限制。 三.采用系统早期仿真。 在系统设计过程中要进行三级仿真。这三级仿真贯穿系统设计的全过程，从而可以在系统设计的早期发现设计中存在的问题，大大缩短系统设计的周期。 四.降低了硬件电路设计难度。 在传统的设计方法中，往往要求设计者在设计电路之前写出该电路的逻辑表达式或真值表（或时序电路的状态表）。而利用VHDL语言设计硬件电路时，就可以使设计者免除编写逻辑表达式或真值表之苦，从而大大缩短了设计的周期。 五.主要设计文件是用VHDL语言编写的源程序。 与传统的电路原理图相比，使用VHDL源程序有许多好处：其一是资料量小，便于保存。其二是可继承性好。其三是阅读方便。 二 FPGA 简介 FPGA是英文Field Programmable Gate Array的缩写，即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、EPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（Logic Cell Array）这样一个新概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（Configurable Logic Block）、输出输入模块IOB（Input Output Block）和内部连线（Interconnect）三个部分。FPGA的基本特点主要有：1）采用FPGA设计ASIC电路，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片。2）FPGA可做其它全定制或半定制ASIC电路的中试样片。3）FPGA内部有丰富的触发器和I／O引脚。 4）FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。 5）FPGA采用高速CHMOS工艺，功耗低，可以与CMOS、TTL电平兼容。 近30年来，由于微电子学和计算机科学的迅速发展，给EDA(电子设计自动化)行业带来了巨大的变化。可以说EDA产业已经成为电子信息类产品的支柱产业。就FPGA和CPLD开发而言，比较流行的HDL主要有Verilog HDL、VHDL、ABEL-HDL和 AHDL 等，其中VHDL和Verilog HDL因适合标准化的发展方向而最终成为IEEE标准。EDA(电子设计自动化) 代表了当今电子设计技术的必威体育精装版发展方向,它的基本特征是:设计人员按照“自顶向下”的设计方法,对整个系统进行方案设计和功能划分,系统的关键电路用一片或几片专用集成电路(ASIC) 实现,然后采用硬件描述语言(HDL) 完成系统行为级设计,最后通过综合器和适配器生成最终目标器件。 采用VDHL 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, 其余全部在一片FPGA 芯片上实现, 整个设计过程变得十分透明、快捷和方便。 四 软件组成 MAX+PLUSⅡ软件采用模块化结构，包括设计输入