基于测频原理的频率计

武汉理工大学《FPGA原理及应用》课程设计说明书课程设计任务书学生姓名：王耀辉专业班级：通信1304指导教师：陈适工作单位：信息工程学院题目:采用测频原理的数字频率计初始条件：VHDL硬件描述语言，ISEDesignSuite开发环境，ModelsimSE仿真环境要求完成的主要任务:1.采用测频法，设计一个4位十进制数字显示的数字频率计2.其测量的范围为1~9999KHz课程设计进度安排序号阶段内容所需时间1方案设计1天2软件设计2天3系统调试1天4撰写报告1天合计5天指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：年月日武汉理工大学《FPGA原理及应用》课程设计说明书目录摘要-----------------------------------------------------------------------------------------------------------1Abstract---------------------------------------------------------------------------------------------------------21.FPGA、VHDL及ISE概述-----------------------------------------------------------------------31.1FPGA简介------------------------------------------------------------------------------------31.2VHDL概述-----------------------------------------------------------------------------------31.3ISE----------------------------------------------------------------------------------------------52频率测量原理及方案--------------------------------------------------------------------------------62.1设计要求---------------------------------------------------------------------------------------62.2频率测量方法--------------------------------------------------------------------------------62.2.1时间门限测量法-------------------------------------------------------------------62.2.2标准频率比较测量法-------------------------------------------------------------62.2.3等精度测量法----------------------------------------------------------------------72.3方案提出及确定------------------------------------------------------------------------------72.4系统设计---------------------------------------------------------------------------------------82.5系统组成--------------------------------------------------------------------------------------92.6小结-------------------------------------------------------------------------------------------103数字频率计VHDL程序与仿真-----------------------------------------------------------------113.1模块图----------------------------------------------------------------------------------------113.1.1顶层模块图-------------------------------------------------------------------------113.1.2顶层模块图-------------------------------------------------------------------------113.2程序设计-------------------------------------------------------------------------------------124仿真测试--------------------------------------------------------------------------------------------174.1调试和器件编程----------------------------------------------------------------------------174.2频率计仿真结果----------------------------------------------------------------------------185心得体会--------------------------------------------------------------------------------------------216参考文献--------------------------------------------------------------------------------------------22武汉理工大学《FPGA原理及应用》课程设计说明书1摘要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。随着现场可编程门阵列FPGA的广泛应用，运用VHDL等硬件描述语言，将使整个系统大大简化，提高了系统的整体性能和可靠性。采用FPGA现场可编程门阵列为控制核心，通过硬件描述语言VHDL编程，在QuartusII仿真平台上编译、仿真、调试，并下载到FPGA芯片上，通过严格的测试后，能够较准确地测量方波、正弦波、三角波、矩齿波等各种常用的信号的频率，而且还能对其他多种物理量进行测量本文介绍了如何采用测频法，利用FPGA现场可编程门阵列为控制核心，通过VHDL语言编程，在ISE仿真平台上仿真平台上编译、仿真、调试，设计一个4位十进制数字显示的数字频率计以此来巩固课堂理论学习，并能用所学理论知识正确分析硬件设计基本问题和解释数字电路的基本现象。关键字：FPGA，数字电路，测频法，数字频率计武汉理工大学《FPGA原理及应用》课程设计说明书2AbstractDigitalfrequencymeterisadigitalcircuitinatypicalapplication,theactualhardwaredesignofdevicesusedinmorecomplicatedconnection,butwillhaverelativelylargedelay,causedbymeasurementerror,poorreliability.WiththeFPGAfieldprogrammablegatearrayawiderangeofapplicationstothedevelopmentasameansofusingtheVHDLhardwaredescriptionlanguagesuchaslanguage,willgreatlysimplifythewholesystemtoimproveoverallsystemperformanceandreliability.Digitalfrequencymeterismadebyusingadigitalcircuitsystemcanachievethecyclicalchangesinsignalfrequencymeasuringinstruments.Frequencymeterismainlyusedformeasuringfrequencysinewave,squarewave,trianglewaveandspikesandotherperiodicsignal.Itsextendedfunctionalitycanmeasurecycleandpulsewidthofthesignal.Thisarticledescribeshowtousethefrequencymeasurementmethod,usingoffieldprogrammablegatearrayFPGAforthecontrolofthecoreandVHDLlanguageprogramming,simulationinQuartusIIdevelopmentenvironment,thedesignofafourdecimaldigitsdisplayeddigitalfrequencymeterinordertoreinforceclassroomlearningtheoryandthetheoryofknowledgecanbeusedtocorrectlyanalyzehardwarethedesignandinterpretationofthebasicproblemsofthebasicphenomenaofdigitalcircuits.Keywords:FPGA,Digitalcircuits,Frequencymeasurementmethod,Digitalfrequencymeter武汉理工大学《FPGA原理及应用》课程设计说明书31.FPGA、VHDL及ISE概述本章首先对设计所采用的可编程逻辑器件FPGA及VHDL以及仿真软件ISE进行简单的介绍，对设计有些基本的了解。1.1FPGA简介FPGA是20世纪80年代中期出现的高密度可编程逻辑器件，它一般由布线资源分隔的可编程逻辑单元构成阵列，又由可编程I/O单元围绕阵列构成整个芯片，排列阵列的饿逻辑单元由布线通道中的可编程内连线连接起来实现一定的逻辑功能。一个FPGA包含丰富的具有快速系统速度的逻辑门、寄存器和I/O组成。FPGA/CPLD芯片都是特殊的ASIC芯片，除了具有ASIC的特点外还有一下几个优点：随着超大规模集成电路VLSI工艺的不断提高，单一芯片内部可以容纳上百万个晶体管；FPGA/CPLD芯片出厂前100%都做过测试，不需要设计人员承担风险和费用；用户可以反复地编程、擦除、使用或者在外围电路不动的的情况下，用不同软件就可实现不同的功能，用FPGA/CPLD试制样片，能以最快的速度占领市场。FPGA/CPLD软件包中有各种输入工具、仿真工具、版图设计及编程器等全线产品，使电路设计人员在较短的时间内就可以完成电路的输入、编译、优化、仿真，直至最后芯片的制作。1.2VHDL概述VHDL语言是一种用于电路设计的高级语言。它在80年代的后期出现。最初是由美国国防部开发出来供美军用来提高设计的可靠性和缩减开发周期的一种使用范围较小的设