1、电 子 科 技 大 学UNIVERSITY OF ELECTRONIC SCIENCE AND TECHNOLOGY OF CHINA学 士 学 位 论 文BACHELOR DISSERTATION论文题目 六位数字频率计的设计与实现学生姓名学 号学 院 电子工程学院专 业 电子信息工程指导教师指导单位年 月 日摘要摘 要频率计是一种应用非常广泛的电子仪器，也是电子测量领域中的一种重要仪器，而高精度的频率计的应用尤为广泛。本论文首先简单介绍了 EDA 技术原理和 Quartus开发软件的操作方法，接着论述了三种常见的测频方法，选用其中的软件测频法实现了高精度测频的目的。本设计分为硬件设计和软件
2、设计，其中软件设计部分采用 VHDL 编写，分为分频模块,锁存模块,波形计数模块和频率值结果显示模块，各个模块程序均通过了时序仿真验证和功能仿真验证，再利用顶层文件将所有模块连接起来，拼接成一个整体。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。此次设计的硬件实现环境是实验板和焊接模块。本论文对测频系统的设计流程、模型的建立和仿真做出了具体详细的研究，验证了该系统的正确性。本系统采用了 FPGA 来实现高精度数字频率计设计。除信号整形输入部分以外，其余全部在一片 FPGA 芯片上实现，整个系统非常精简，而且具有灵活的现场可更改性。关键词：VHDL，数字频率计
3、，EDA，FPGAIABSTRACTAbstractFrequency meter is a kind of electronic instrument applied widely. A kind of high-accuracy digital frequency meter is designed based on FPGA in this paper.This paper first introduces the method of operation principle of EDA technology and Quartus II software, then introduce
4、s three kinds of common frequency measurement method, the selection of the precision frequency measuring method achieves high precision frequency measurement purpose. The design is divided into hardware design and software, the software design part uses the VHDL compilation, divided into frequency c
5、ut waveform counting module, data processing module and the frequency value result display module, each module program through the timing simulation and functional simulation, the top-level documents connect all modules, spliced into a whole. Design module is relatively independent, can carry on the
6、 design, debug and modify the module separately, shorten the design cycle. The design of the hardware environment is the EDA experiment box. Establishment and Simulation of the design process, the frequency measurement system model is studied in detail in the paper, the system has been proved right.
7、The system uses FPGA to realize the high precision digital frequency meter design. In addition to the signal input part outside, the rest allin the realization of a FPGA chip, the whole system is very compact, and flexible change of scene.Keywords: VHDL, Digital Frequency Meter, EDA , FPGAII目录目 录第一章
8、 引言 .11.1 研究背景及意义 .11.2 论文结构及安排 .3第二章 EDA 原理概述和设计方法 .42.1 EDA 的设计思路和方法. 42.2 FPGA 基本原理介绍. 52.3 VHDL 简单介绍. 62.4 基于 EP4CE6E22C8N 的实验板介绍 .72.4.1 实验板芯片介绍 .72.4.2 实验板资源介绍 .82.5 Quartus II 13.0 和 ModelSimaltera 介绍 .10第三章 频率测量方法和原理 .113.1 采用纯硬件实现的测频方法 .113.2 采用软硬件结合的测量方式 .113.2.1 由单片机实现的软硬件相结合的实现法 .113.2.2
9、 采用 FPGA 实现的直接测频法 .123.2.2.1 被测信号频率较高时 .123.2.2.2 被测信号频率较低时 .133.3 本章小结 .14第四章 系统总体设计方案 .154.1 频率计系统设计任务要求和任务分析 .154.1.1 频率计系统设计任务要求 .154.1.2 频率计系统设计任务分析 .154.2 设计方案分析 .154.3 本章小结 .17第五章 基于 FPGA 功能模块的分析 .185.1 滤波整形电路设计 .185.2 分频模块的设计 .195.3 计数模块的设计 .20III目录5.4 锁存模块的设计 .225.5 扫描显示模块的设计 .235.6 本章小结 .2
10、7第六章 硬件测试和误差分析 .286.1 硬件测试 .286.2 误差分析 .296.3 本章小结 .31第七章 结束语 .327.1 本文内容 .327.2 下一步学习工作方向 .32附录 .33参考文献 .50致谢 .51外文资料原文.52外文资料译文.57IV第一章 引言第一章 引言频率是电子技术领域的一个基本参数，同时也是一个非常重要的参数，因此，频率测量已成为电子测量领域最基本最重要的测量之一。精确的频率计在科研和生活领域也变得越来越重要。1.1 研究背景及意义频率是电子技术领域的一个基本参数，同时也是一个非常重要的参数，因此，频率测量已成为电子测量领域最基本最重要的测量之一。随着
11、科学技术的不断发展提高，人们对科技产品的要求也相应的提高，数字化的电子产品越来越受到欢迎。频率计作为比较常用和实用的电子测量仪器，广泛应用于科研机构、学校、家庭等场合，因此它的重要性和普遍性勿庸质疑。在电子测量领域中，频率测量的精确度是最高的，可达 1010E-13 数量级。因此，在生产过程中许多物理量，例如温度、压力、流量、液位、PH 值、振动、位移、速度、加速度，乃至各种气体的百分比成分等均用传感器转换成信号频率，然后用数字频率计来测量，以提高精确度 1。数字频率计具有体积小、携带方便；功能完善、测量精度高等优点，因此在以后的时间里，必将有着更加广阔的发展空间和应用价值 2。比如：将数字频
12、率计稍作改进，就可制成既可测频率，又能测周期、占空比、脉宽等功能的多用途数字测量仪器。将数字频率计和其他电子测量仪器结合起来，制成各种智能仪器仪表，应用于航空航天等科研场所，对各种频率参数进行计量；应用在高端电子产品上，对其中的频率参数进行测量；应用在机械器件上，对机器振动产生的噪声频率进行监控 3；等等。研究数字频率计的设计和开发，有助于频率计功能的不断改进、性价比的提高和实用性的加强。以前的频率计大多采用 TTL 数字电路设计而成，其电路复杂、耗电多、体积大、成本高。随后大规模专用 IC（集成电路）出现，如 ICM7216，ICM7226 频率计专用 IC，使得频率计开发设计变得简单，但由
13、于价格较高，因此利用 IC 设计数字频率计的较少 4。而单片机数字频率计以其可靠性高、体积小、价格低、功能全等优点，广泛地应用于各种智能仪器中，这些智能仪器的操作在进行仪器校核以及测量过程的控制中，达到了自动化，传统仪器面板上的开关和旋钮被键盘所代替 5，测试人1电子科技大学本科学位论文员在测量时只需按需要的键，省掉很多烦琐的人工调节，智能仪器通常能自动选择量程，自动校准 6。有的还能自动调整测试点，这样不仅方便了操作，也提高了测试精度。随着科学技术的发展，用户对电子计数器也提出了新的要求。对于抵挡产品要求使用操作方便，量程（足够）宽，可靠性能高（原文为“可靠性能搞”显然是印刷错误），低价格
14、7。而对于中高档产品，则要求有高分辨率，高精度，搞稳定度，高测量速率；除通常通用计数器所具有的功能外，还要有数据处理功能，时域分析功能等等，或者包含电压测量等其他功能 8。这些要求有的已经实现或者部分实现，但要真正完美的实现这些目标，对于生产厂家来说，还有许多工作要做，而不是表面看来似乎发展到头了。由于微电子技术和计算机技术的发展，频率计都在不断地进步着，灵敏度不断提高，频率范围不断扩大，功能不断地增加。在测试通讯、微波器件或产品时，通常都是较复杂的信号，如含有复杂频率成分、调制的或含有未知频率分量的、频率固定的或变化的、纯净的或叠加有干扰的等等。为了能正确地测量不同类型的信号，必须了解待测信
15、号特性和各种频率测量仪器的性能。微波计数器一般使用类型频谱分析仪的分频或混频电路，另外还包含多个时间基准、合成器、中频放大器等。虽然所有的微波计数器都是用来完成技术任务的，但制造厂家都有各自的一套复杂的计数器的设计、使得不同型号的计数器性能和价格会有所差别，比如说一些计数器可以测量脉冲参数，并提供类似于频率分析仪的频幕显示，对这些功能具有不同功能不同规格的众多仪器。我们应该视测试需要正确的选择，以达到最经济和最佳的应用效果。数字电路制造工业的进步，使得系统设计人员能在更小的空间实现更多的功能，从而提高系统可靠性和速度。现如今，数字频率计已经不仅仅是测量信号频率的装置了，用它还可以测量方波脉冲的
16、脉宽。在人们的生活中频率计也发挥着越来越重要的作用，比如用数字频率计来监控生产过程，这样可以及时发现系统运行中的异常情况，以便给人们争取时间处理。除此之外，它还可以应用于工业控制等其它领域。在传统的电子测量仪器中，示波器在进行频率测量是频率较低，误差较大。频率仪可以准确的测量频率并显示被测信号的频谱，但测量速度较慢，无法实时的跟踪捕捉到被测信号的频率变化。正是由于频率计能够快速准确的捕捉到被测信号频率的变化，因此频率计拥有非常广泛的引用范围。在传统生产制造企业中，频率计被广泛应用在产线的生产测试中。频率计能够快速的捕捉到晶体振荡器输出的频率变化，用于通过使用2第一章 引言频率计能够迅速的发现有
17、故障的晶振产品，确保产品质量。在计量实验室中，频率计被用来对各种电子测量设备的本地振荡器进行校准。在无线通讯测试中，频率计既可以被用来对无线通讯基站的主时钟进行校准，还可以用来对电台的跳帧信号进行分析。对于频率计的设计目前也有专用芯片可以实现，如利用 MAXIM 公司的 ICM7240 来设计频率计。但由于 这种芯片的计数频率比较低，远不能达到在一些场合需要测量很搞的频率要求，而测量精度也受到芯片本身的限制。提出的用 AT8C52 单片机设计频率计的方法可以解决这些问题，实现精度较高、等精度和宽范围频率计的设计 8。1.2 论文结构及安排本论文主要研究内容是基于 EDA 技术的使用 VHDL
18、描述语言进行高精度频率计的设计和仿真验证。本论文的主要结构安排如下：第二章介绍了 FPGA 的基本原理和 Quartus II 13.0 开发中的自上而下的设计方法。并简单介绍了 EP4CE6E22C8N 开发板的参数和相关引脚情况。第三章主要介绍了现在常见的测量频率的原理方法和各种方法的优缺点比较。第四章介绍了本方案的整体方案概述和分析，并给出了整体框架和顶层文件的分析。第五章介绍了基于 FPGA 的功能模块的电路设计和仿真情况。第六章为总体设计的硬件测试数据和误差分析内容。第七章为结束语。3电子科技大学本科学位论文第二章 EDA 原理概述和设计方法2.1 EDA 的设计思路和方法所谓的 E
19、DA 技术，是在 20 世纪 90 年代初，从 CAD(计算机辅助设计)、CAM(计算机辅助制造)、CAT(计算机辅助测试)和 CAE(计算机辅助工程)的概念发展而来的。目前，电子设计自动化己逐渐成为重要的设计手段，其广泛应用于模拟与数字电路系统等许多领域。EDA 技术就是以计算机为工作平台，以 EDA 软件工具为开发环境、以硬件描述语言 HDL 为设计语言、以可编程逻辑器件为试验载体、以 ASIC 、SOC 芯片为目标器件，以电子系统设计为应用方向的电子产品自动化设计过程。在 EDA 的设计过程中，用 HDL 编写的设计文件将自动的完成逻辑编译、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合及优化、逻辑布局布
20、线、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等工作。设计的工作仅限于利用软件的方式，即用硬件描述语言来完成对系统硬件功能的描述，在 EDA 工具的帮助下就可以得到最后的设计结果。尽管目标系统是硬件，但整个设计和修改如完成软件设计一样方便而高效。EDA 技术中最为瞩目的功能，即最具现代电子设计技术特征的功能就是日益强大的逻辑设计仿真测试技术。EDA 仿真测试技术只需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，在完成实际系统的安装后还能对系统上的目标器件进行所谓的边界扫描测试。另一方面，高速发展的 FPGA/CPLD 器件又为 E
21、DA 技术的不断进步奠定了坚实的物质基础。FPGA/CPLD 器件的更广泛的应用及厂商间的竞争，使得普通的设计人员获得廉价的器件和 EDA 软件成为了可能，大大的促进了 EDA 的发 展 9。EDA 技术是现代电子工程领域的一门较新的技术，它提供了基于计算机和信息技术的电路系统设计方法，极大的推动了电子产业的发展。目前，在通信、国防、航天、工业自动化等领域的电子系统设计当中，EDA 技术的含量正以惊人的速度发展着。未来的 EDA 将会超越电子设计的范畴进入其他的领域，随着基于 EDA 的 SoC(System on a Chip)设计技术的发展，软硬功能核库的建立，以及基于 HDL 所谓自顶向下设计理念的确立，将会极大的推动电子工业的发展，将电子系统的设计和规划应用到其他的领域中去。4
