课程设计频率测量仪设计大学毕设论文

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，而且它是数字电压必不可少的部件。当今数字频率计不仅是作为电压表、计算机、天线电广播通讯设备、工艺过程自动化装置。多种仪表仪器与家庭电器等许多电子产品中的数据信息输出显示器反映到人们眼帘。集成数字频率计由于所用元件少、投资少,体积小,功耗低,且可靠性高,功能强,易于设计和研发,使得它具有技术上的实用性和应用的广泛性。不论从我们用的彩色电视机、电冰箱，DVD，还有我们现在家庭常用到的数字电压表数字万用表等等都包含有频率计。现在频率计已是向数字智能方向发展，即可以很精确的读数也精巧易于控制。数字频率计已是现在频率计发展的方向,它不仅可以很方便的读数,而且还可以使频率的测量范围和测量准确度上都比模拟先进.而且频率计的使用已是很多的方面,数字卫星、数字通讯等高科技的领域都有应用，今天数字频率计的发展已经不仅仅是一个小电子产品的发展也是整个民族乃至整个国家的发展，所以频率计的发展是一个整体的趋势。

而从民族产业上来说，我们在这种产业中还落后于西方发达国家，这将会关系到民族产业的兴衰。所以我们必须很重视当前的情况，学习发达国家的先进技术以发展本国的产业。

第二节设计概述

所谓频率，就是周期信号在单位时间（1s）里变化的次数。

本数字频率计的设计思路是：

(一) 根据频率计的测频原理，可以选择合适的时基信号对输入被测信号脉冲进行计数，实现测频的目的。

(二) 根据数字频率计的基本原理，本文设计方案的基本思想是分为三个模块来实现其功能，即时基产生与测频时序控制电路模块、待测信号脉冲计数电路模块和锁存与译码显示控制电路模块，并且分别用VHDL对其进行编程，实现计数电路、锁存电路、显示电路等。

第三节设计原理

众所周知，频率信号易于传输，抗干扰性强，可以获得较好的测量精度。因此，频率检测是电子测量领域最基本的测量之一。频率计的基本原理是用一个频率稳定度高的频率源作为基准时钟，对比测量其他信号的频率。通常情况下计算每秒内待测信号的脉冲个数，即闸门时间为1s。闸门时间越长，得到的频率值就越准确，但闸门时间越长，则每测一次频率的间隔就越长。闸门时间越短，测得的频率值刷新就越快，但测得的频率精度就受影响。一般取1s作为闸门时间。

数字频率计的关键组成部分包括测频控制信号发生器、计数器、锁存器、译码驱动电路和显示电路，其原理框图如图 1. 1

所示。

图1.1 原理框图

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：

一．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