内容发布更新时间 : 2024/12/27 13:34:29星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。
目 录
1 引言 ............................................................................................................................ 1 2 简易数字频率计设计原理 ........................................................................................ 2
2.1基本原理 ........................................................................................................... 2 2.2原理框图 ........................................................................................................... 2 3 各模块程序及仿真 .................................................................................................... 4
3.1测频控制发生器ctr模块的设计 .................................................................... 4 3.2待测信号计数器counter模块的设计 ............................................................. 4 3.3锁存器regist模块的设计 ................................................................................ 5 3.4顶层模块的设计 ............................................................................................... 6 3.5 引脚锁定 .......................................................................................................... 7 4 心得体会 .................................................................................................................... 9 参考文献 ...................................................................................................................... 10 附 录 .......................................................................................................................... 11
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1 引言
EDA技术是以硬件语言为主要的描述方式，以EDA软件为主要的设计软件，以大规模课编程逻辑器件为载体的数字电路的设计过程。其设计的灵活性使得EDA技术得以快速发展和广泛应用。 EDA技术的出现，极大地提高了电路设计的效率和可操作性，减轻了设计者的劳动强度。
随着数字电子技术的发展，频率测量成为一项越来越普遍的工作，因此频率计常受到人们的青睐。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。
本设计基于我们对《EDA技术》、《数字电子技术》的基础知识的理解，用硬件描述语言进行模块电路的设计，用元件例化语句写出频率计的顶层文件，要求我们设计一个四位十进制的简易数字频率计，对1HZ-10MHZ的方波信号进行测量，测量的方波频率值要在4位数码管上进行显示，根据不同的待测方波信号，频率计分为4个量程进行测量，四个量程分别为乘1，乘10，乘100，乘1000量程，要有一个整体复位控制，并且当量程选择不恰当或者超出10MHZ时要有错误报告。附录中是用多进程实现的简易频率计设计，实现了本设计要求的所有功能。
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2 简易数字频率计设计原理
2.1基本原理
数字频率计的主要功能是测量周期信号的频率。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。
频率是单位时间（1秒）内方波信号发生周期变化的次数。在给定的1秒时间内对方波信号波形计数，并将所计数值显示出来，就能读取被测信号的频率。数字频率计首先必须获得相对稳定与准确的时间，然后通过计数器计算这一段时间间隔内的方波脉冲个数并显示出来。这就是数字频率计的基本原理。
脉冲信号的频率就是在单位时间内所产生的脉冲个数，其表达式为f＝N／T，其中f为被测信号的频率，N为计数器所累计的脉冲个数，T为产生N个脉冲所需的时间。本设计要求基准时钟的频率为6MHZ，所以需要分频设计产生脉宽为1秒的脉冲。再利用这个脉宽为1秒的脉冲计数，计数器所记录的结果，就是被测信号的频率。因为待测方波信号的频率在1HZ-10MHZ，所以仅用四位7段数码管无法完全正确显示，所以需要选择恰当的量程来显示待测风波信号的频率，当量程选择不当或者频率超出10MHZ时，用一个LED灯点亮来警告我们这样测量有错误。
2.2原理框图
本设计要求用基准时钟信号（f=6MHZ）的控制完成对1HZ-10MHZ的方波信号进行测量，使得所测量的方波频率值在4位7段数码管上进行显示，并根据不同的待测方波信号，将频率计分为4个量程进行测量，四个量程分别为乘1，乘10，乘100，乘1000量程，量程的选择分为手动和自动两种。当手动选择量程时，自动量程显示为零，手动量程部分依手动所选量程而定；当手动选择信号不工作时，频率计自动选择比较合适的量程进行显示，手动量程部分显示为零。而且此频率计具有记忆功能，在测量过程中不刷新数据，等数据测量过程结束后才显示测量值，显示测量的频率值，并保存到下一次测量结束。数字频率计还有一个整体的异步清零端，随时可以进行清零操作。此外，数字频率计还有一个不能正确显示待测方波信号频率时的警告灯。
数字频率计通过测频控制发生器将基准信号转换成所需要的控制信号clk1和en，待测信号计数器在en的控制下对待测信号进行测量并通过锁存器在clk1的控制下按要求进行显示，数字频率计包括测频控制发生器ctr、待测信号计数器counter、锁存器regist三个功能模块，其原理框图如图1所示。
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a(3:0) rst clk clkin
a(3:0) rst clk 测频控rst 制发生器ctr clken clk 锁存器regist q1(3:0) q2(3:0) q3(3:0) q4(3:0) q1(3:0) q2(3:0) q3(3:0) q4(3:0) sd(3:0) en 待测信器counter d(27:0) d(27:0) zd(3:0) sd(3:0) zd(3:0) rst 号计数clkin sel(3:0) sel(3:0) b b 简易数字频率计pin 图1 原理框图
其中a是手动选择量程输入端，sd代表手动量程的显示，rst是整体异步清零输入端，clk是频率为6MHZ的基准时钟，clkin是待测的方波信号，b是显示是否超出了频率计的测量范围，zd是在手动选择量程不工作时频率计进行的自动选择合适的量程显示，q1—q4是四位数值从高位到低位的显示结果。
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3 各模块程序及仿真
此设计运用元件例化的方法进行功能的实现，所以各个模块即使相互独立又是彼此联系的，三个模块共同完成方波信号的测量。
3.1测频控制发生器ctr模块的设计
设本计要求为该模块ctr提供的基准信号频率为6MHZ，所以要做一个12M分频器控制产生一个脉宽为1秒的周期信号en和一个锁存信号clk1。rst为高电平时进行整体异步清零。当en处于高电平的时候对输入的待测方波信号进行计数测量，当en处于低电平的时候停止计数，并保持所计数值。当clk1是上升沿的时候将所保持的数值输出显示。
此测频控制发生器的仿真结果如图2所示。
图2 测频控制发生器的仿真结果
此模块如果仿真12M分频器很困难，为了看到仿真效果，改成20倍分频器，得到了此仿真结果。如果按程序下载，在硬件上能很清楚的看到由6MHZ的基准信号得到了脉宽为1秒的控制信号en和控制输出信号clk1，rst实现了整体异步清零的功能。
3.2待测信号计数器counter模块的设计
该模块通过ctr模块所产生的脉宽为1秒的en信号来对待测信号进行计数。用28位二进制数d进行对待测信号的计数，同时用sel表示自动量程根据所得数值d变化，sel为“0001”时代表乘1，sel为“0010”时代表乘10，sel为“0100”时代表乘100，sel为“1000”时代表乘1000。如果测量选择量程太小或者待测方波信号频率超出10MHZ，均无法正确显示测量结果，则将b置高电平进行警告。
此待测信号计数器的仿真结果如图3所示。
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图3 待测信号计数器的仿真结果