基于FPGA的等精度数字频率计设计

2014-2015学年第1学期

课程设计

题目：基于FPGA的等精度数字频率计设计

姓名：***

学号：201295014220

班级：电气六班

摘要

伴随着集成电路(IC)技术的发展，电子设计自动化(EDA)逐渐成为重要的设计手段，已经广泛应用于模拟与数字电路系统等许多领域。电子设计自动化是一种实现电系统或电子产品自动化设计的技术，它与电子技术、微电子技术的发展密切相关，它吸收了计算机科学领域的大多数最新研究成果，以高性能的计算机作为工作平台，促进了工程发展。

数字频率计是一种基本的测量仪器。它被广泛应用与航天、电子、测控等领域。采用等精度频率测量方法具有测量精度保持恒定，不随所测信号的变化而变化的特点。本文首先综述了EDA技术的发展概况，FPGA/CPLD开发的涵义、优缺点，VHDL语言的历史及其优点，概述了EDA软件平台QUARTUSⅡ；然后介绍了频率测量的一般原理，利用等精度测量原理，通过FPGA运用VHDL编程，利用FPGA(现场可编程门阵列)芯片设计了一个8位数字式等精度频率计，该频率计的测量范围为0-100MHZ,利用QUARTUS Ⅱ集成开发环境进行编辑、综合、波形仿真，并下载到CPLD器件中，经实

际电路测试，仿真和实验结果表明，该频率计有较高的实用性和可靠性。

关键词:电子设计自动化；VHDL语言；频率测量；数字频率计

目录

摘要 ......................................................................................................................................... I 目录 ......................................................................................................................................... II 1. 绪论 .. (1)

1.2基于EDA的FPGA/CPLD开发 (2)

1.3硬件描述语言(HDL) (3)

VHDL语言简介 (3)

1.4 QuartusII概述 (4)

2. 频率测量 (6)

2.1数字频率计工作原理概述 (6)

2.2采用等精度测量

本章小结 (8)

3. 数字频率计的系统设计与功能仿真 (8)

3.1系统的总体设计 (8)

3.2信号源模块 (9)

3.3锁存器 (12)

3.4十进制计数器 (13)

3.5 显示模块 (14)

3.5.1显示模块设计 (14)

3.52显示电路 (15)

3.5.3译码器 (15)

本章小结 (16)

结论 (16)

附录：频率计顶层文件 (18)

信号源模块源程序 (19)

32位锁存器源程序 (19)

有时钟使能的十进制计数器的源程序 (20)

显示模块源程序 (21)

1. 绪论

21世纪人类将全面进入信息化社会，对微电子信息技术和微电子VLSI基础技术将不断提出更高的发展要求，微电子技术仍将继续是21世纪若干年代中最为重要的和最有活力的高科技领域之一。而集成电路(IC)技术在微电子领域占有重要的地位。伴随着IC技术的发展，电子设计自动化(Electronic Design Automation, EDA)己经逐渐成为重要设计手段，其广泛应用于模拟与数字电路系统等许多领域。

EDA是指以计算机大规模可编程逻辑器件的开发软件及实验开发系统为设计工具，通过有关开发软件，自动完成用软件方式设计的电子系统到硬件系统的逻辑编译、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合及优化、逻辑布局布线、逻辑仿真，直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射、编程下载等工作，最终形成集成电子系统或专用集成芯片的一门新技术[1]。

VHDL（超高速集成电路硬件描述语言）是由美国国防部开发的一种快速设计电路的工具，目前已经成为IEEE（The Institute of Electrical and Electronics Engineers）的一种工业标准硬件描述语言。相比传统的电路系统的设计方法，VHDL具有多层次描述系统硬件功能的能力，支持自顶向下（Top_Down）和基于库（LibraryBased）的设计的特点，因此设计者可以不必了解硬件结构。从系统设计入手，在顶层进行系统方框图的划分和结构设计，在方框图一级用VHDL对电路的行为进行描述，并进行仿真和纠错，然后在系统一级进行验证，最后再用逻辑综合优化工具生成具体的门级逻辑电路的网表，下载到具体的CPLD器件中去，从而实现可编程的专用集成电路（ASIC）的设计。

数字频率计是数字电路中的一个典型应用，实际的硬件设计用到的器件较多，连线比较复杂，而且会产生比较大的延时，造成测量误差，可靠性差。随着复杂可编程逻辑器件（CPLD）的广泛应用，以EDA工具作为开发手段，运用VHDL语言。将使整个系统大大简化。提高整体的性能和可靠性。

数字频率计是通信设备、音、视频等科研生产领域不可缺少的测量仪器。采用VHDL 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外，其余全部在一片FPGA芯片上实现。整个系统非常精简，且具有灵活的现场可更改性。

本文用VHDL在CPLD器件上实现一种8 位数字频率计测频系统，能够用十进制数码显示被测信号的频率，不仅能够测量正弦波、方波和三角波等信号的频率，而且能对其他多种频率信号进行测量。具有体积小、可靠性高、功耗低的特点。

1.2 基于EDA的FPGA/ CPLD开发

我国的电子设计技术发展到今天，将面临一次更大意义的突破，即FPGA/CPLD ( Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列/Complex Programmable Logic Device，复杂可编程逻辑器件)在EDA基础上的广泛应用。从某种意义上说，新的电子系统运转的物理机制又将回到原来的纯数字电路结构，但却是一种更高层次的循环，它在更高层次上容纳了过去数字技术的优秀部分，对(Micro Chip Unit ) MCU系统是一种扬弃，在电子设计的技术操作和系统构成的整体上发生了质的飞跃。如果说MCU在逻辑的实现上是无限的话，那么FPGA/CPLD不但包括了MCU这一特点，而且可以触及硅片电路线度的物理极限，并兼有串、并行工作方式，高速、高可靠性以及宽口径适用性等诸多方面的特点。不但如此，随着EDA技术的发展和FPGA/CPLD在深亚微米领域的进军，它们与MCU, MPU, DSP, A/D, D/A, RAM和ROM等独立器件间的物理与功能界限已日趋模糊。特别是软/硬IP芯核(知识产权芯核;Intelligence Property Core，一种已注册产权的电路设计)产业的迅猛发展，嵌入式通用及标准FPGA器件的呼之欲出，片上系统(SOC)已经近在咫尺。FPGA/CPLD以其不可替代的地位及伴随而来的极具知识经济特征的IP芯核产业的崛起，正越来越受到业内人士的密切关注。

FPGA/CPLD简介

FPGA和CPLD都是高密度现场可编程逻辑芯片，都能够将大量的逻辑功能集成于一个单片集成电路中，其集成度已发展到现在的几百万门。复杂可编程逻辑器件CPLD 是由PAL ( Programmable Array Logic，可编程数组逻辑)或GAL ( Generic Array Logic，通用数组逻辑)发展而来的。它采用全局金属互连导线，因而具有较大的延时可预测性，易于控制时序逻辑;但功耗比较大。现场可编程门阵列(FPGA)是由掩膜可编程门阵列(MPGA)和可编程逻辑器件二者演变而来的，并将它们的特性结合在一起，因此FPGA 既有门阵列的高逻辑密度和通用性，又有可编程逻辑器件的用户可编程特性。FPGA通常由布线资源分隔的可编程逻辑单元(或宏单元)构成数组，又由可编程I/O单元围绕数组构成整个芯片。其内部资源是分段互联的，因而延时不可预测，只有编程完毕后才能实际测量。

CPLD和FPGA建立内部可编程逻辑连接关系的编程技术有三种:基于反熔丝技术的器件只允许对器件编程一次，编程后不能修改。其优点是集成度、工作频率和可靠性都很高，适用于电磁辐射干扰较强的恶劣环境。基于EEPROM内存技术的可编程逻辑芯片能够重复编程100次以上，系统掉电后编程信息也不会丢失。编程方法分为在编程器