基干FPGA数字频率计设计与实现.doc

基于FPGA的数字频率计的设计与实现 　　摘 要 介绍基于FPGA的数字频率计的开发过程、总体设计方案和各模块的设计实现。借助于EDA平台设计的数字频率计，具有高速、精确、可靠、抗干扰性强和现场可编程等优点 关键词 EDA技术；可编程逻辑器件；数字频率计 中图分类号：G642.0 文献标识码：B 文章编号：1671-489X（2016）16-0031-02 数字频率计是计算机、通信设备、音频视频等科研生产领域不可缺少的测量仪器，以EDA工具作为开发手段。基于FPGA所设计的数字频率计，具有高速、精确、可靠、抗干扰性强和现场可编程等优点。在设计中，所有频段均采用直接测频法对信号频率进行测量，克服了逼近式换档速度慢的缺点；在换档设计方面，突破了以往改变闸门时间的方法，采用门控信号和被测信号对计数器的使能端进行双重控制，使自动换档的实现更加简单可靠，提高了测量的精确度；在运算单元采用高速串行BCD码除法，不仅提高了运算速度，而且减小了资源消耗 1 设计要求 设计一种基于FPGA的数字频率计，要求：数字频率计分为0～9.999 Hz、10.00～99.99 Hz、100.0～999.9 kHz 和1000～9999 kHz四档，且能够实现自动换档的功能 2 总体设计方案 数字频率计总体框图如图1所示。数字频率计由分频器、计数器、锁存器和译码器等模块构成，系统有3个输入信号，即两个时钟信号CLK、SIG和一个清除信号CLR。系统有5个输出信号，即报警信号ALM、显示信号Q、数码管片选信号L、位控位A和位控位B 分频器模块通过对时钟信号CLK进行分频，为计数器模块提供1 s的闸门时间test-en。当test-en为高电平时，闸门被打开，被测信号的脉冲通过闸门进入计数器进行计数；当test-en下降沿到来时，产生一个锁存信号，将计数值保存起来，由八段译码器译码并在数码管显示计数结果。锁存数据后，在下次test-en上升沿到来之前产生清零信号，将计数器清零，为下次计数做准备 3 设计实现 采用模块化的设计思想，依据系统设计要求自上至下地细化设计。顶层设计完成后，采用硬件描述语言对各模块进行编程，在MAX+PLUSⅡ环境下进行编译、功能仿真，创建各模块的器件符号，待建立整体系统顶层文件时调用 分频器模块 分频器模块（FEN）通过对4 MHz时钟信号进行分频得到0.5 Hz时钟，为计数器模块（CORNA）提供1 s的闸门时间。根据给定的分频值，分频器模块对4 MHz频率进行1/2n的分频，每来一个时钟，中间值cnt状态改变一次；经过n个cnt触发处理后，就可以得到1/2n的分频信号 数码管片选信号产生模块 数码管片选信号产生模块（SEL）把时钟信号转换成片选信号提供给输出模块。片选信号低电平时，表示其对应的数码管可以进行显示操作，数据信号输出数码管显示所需的数据，即“000”“001”“010”“011”“100”“101”“110”和“111” 计数器模块 计数器模块（CORNA）通过对待测信号在基准时间内进行计数测量待测信号的频率，完成对输入时钟信号的计数。由分频器提供的使能信号DOOR为高电平时，允许计数；DOOR为低电平时，停止计数，并保持所计的数。当中间值c6不为零时，选择4档；当中间值c5不为零时，选择3档；当中间值c4不为零时，选择2档；否则选择1档，计数选档结束后，将5个输出信号传给锁存器 锁存器模块 锁存器模块（LOCK）在分频器模块输出信号DOOR的下降沿到来时，将计数器的数值Q3、Q2、Q1、Q0、DANG锁存 数据输出模块 数据输出模块（CH）对应于数码管片选信号，将相应的数据送出，其中档位也通过数码管显示。数据输出模块根据锁存器和数码管片选信号的输出信号，实现数码管的实时显示 八段译码驱动模块 八段译码驱动模块（DISP）将输入的BCD码转换为LED数码管需要的数据，八段译码驱动模块的仿真波形如图2所示 D是八段译码驱动模块的输入信号，由数据输出模块输出信号d赋予；Q是八段译码驱动模块的输出信号，对应于数码管的8个显示段。当d为“0000”时，q为3F；当d为 “0001”时，q为06；当d为“0010”时，q为5B；当d为 “0011”时，q为4F；当d为“0100”时，q为66；当d为 “0101”时，q为6D；当d为“0110”时，q为7D；当d为 “0111”时，q为27；当d为“1000”时，q为7F；当d为 “1001”时，q为6F 各模块连接 各模块总体连接图如图3所示。CLK输入至分频器，SIG、CLR输入至计数器，输出报警信号ALM来自计数器，Q是八段译码器连接显示器的输出，L是