【毕业学位论文】（Word原稿）基于FPGA的对数字频率计的设计-电子信息科学与技术

计算机信息工程学院 本 科 毕 业 论 文 题目： 基 于 对 数 字 频 率 计的 设 计 学 院： 计 算 机 信 息 与 工 程 学 院 专 业： 电 子 信 息 科 学 与 技 术 班 级： 2 0 0 6 级 电 子 班 姓 名： 学 号： 指导老师： 电子信息科学与技术 2006 级 基于 数字频率计的设计 洪晓宁 摘要： 现场 可 编程门阵列的出现给现代电子设计带来了极大的方便和灵活性 ， 使复杂的数字电子系统设计变为芯片级设计 ， 同时还 可 以很方便地对设计进行在线修改。本文以设计个 四 位显示的 十 进制数字频率计为例 ， 在片 片上实现多位数字频率计的设计 ，来完成对 学习 。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 ， 克服了逼近式换挡速度慢的缺点。 关键词： 数字频率计； 现玚 可编程门阵列（ 直接测量法 of he to of on an W a an on a of of is by of of m 计算机信息工程学院 目录 前言 . 5 1、 系统总体设计 . 6 2：各个模块的实现 . 7 1000 进制计数器 . 7 50. 8 14 位锁存器（ . 8 14 位计数器（ . 9 数码管动态显示（ . 10 3：各个模块的的仿 真 . 11 1000 进制计数器 . 11 50. 11 14 位锁存器（ . 12 14 位计数器（ . 13 统顶层仿真 . 14 总结 . 15 致谢 . 16 参考文献 . 17 符录 . 18 电子信息科学与技术 2006 级 前言 随着电子技术和计算机应用技术的深入发展以及 计技术的不断进步与完善，不仅给电子系统的设计和应用带来了新的设计思路和发展机遇，也对传统的电子设计手段提出了 严峻的挑战。 传统的电子系统设计，是以各种不同的 集成电路芯片为基础，按照功能要求在印制电路板上将不同的芯片拼接、组合，构成实现某种功能的电子系统。这样的设计方法不仅繁琐，而且设计过程中的错误和不足之处不能及早的发现；进入调试阶段后，一旦发妯错误或缺陷，也不能现场更正。这将使研发的时间变长，研发的成本加大。能够克服上述缺点的是片上可编程系统（简称 微电子技术 、计算机应用技术的飞速发展，不仅使得电子系统的小型化、微型化进程加快，而且给电子系统设计带来了前所未有的变革。大规模 片问世，为电子系 统设计提供了硬件基础 础，几乎大多数电子系统都可以在一块芯片上实现。 司的 件就是 计的最优秀的软件之一，使用它不仅可以灵活地设计电子系统，而且还可以对设计方案进行模拟 仿真，及早发现错误和缺陷。使用 好处不仅表现在设计的初级阶段，即使在电子系统设计完成之后，甚至投入实际使用的过程中，还可以根据实际需要添加功能。 本次写作是以设计频率计为实例来学习 言和 件。 计算机信息工程学院 1、 系统总体设计 在 件中，可使用 多种编程语言。本文以 编程语言。 采用言设计一个复杂的电路系统，运用自顶向 下的 设计思想，将系统按功能逐层分割的层次化设计方法进行设计。在顶层对内部各功能块的连接关系和对外的接口关系进行了描述，而功能块的逻辑功能和具体实现形式则 由下 一 层模块来描述。根据 本 数字频率计实现原理，运用自顶向 下 的设计思想 。系统总框图如下： 10时钟信号经过分频，产生 1信号，分别送到 1000 进制计数模块和动态显示模块。经过 1000 进模块的信号生成 1信号，作为 14 位计数器的控制信号。进入动态显示的 1号作为动态输出的时序信号。 测试信号通过 14 位的计数器后，由控制信号将其转换为输出显示的数据，再经过 14位的锁存器缓冲再送到动态显示模块中。通过动态显示模块最终生成显示信号。 在这次论文中，将整个所要设计的频率计做为顶层，下面有五个模块： 1000进制计数器）、 50频器）、 4 位锁存器 )、 4 位计数器 )，动态数码管显示（ 每个模块都是独立的，都能单独使用。每个模块都是最小的子模块，就直接用 言来描述。 设计的系统顶层电路如 图所示： 50K 分频器 1000 进制计数器 14 位计数器 14 位锁存器 动态数码管显示 1试 信号 数据 显示数据 10示 信号 电子信息科学与技术 2006 级 1：各个模块的实现 各个模 的实现是独立的，都 运 用 为编程语言 。 1000 进制计数器 作用：在此次设计中，这一模块用来将输入信号的频率降低为原来的 1/1000，用作分频器。由总框图可知，当 50时钟信号经过分频后，得到了 1时钟信号，再经过此模块，就得到一个 1时钟信号。 2成方式： 计中 定义 三 个端口（一个输入端，一个输出端 ， 有用到 ），一个计数变量。当输入端的时钟发生 上升沿跳变时，计数变量自加 1，当计数达到 计算机信息工程学院 1000（ 16 进制为 3时候，输出端就产生一脉冲信号，作为下一模块的输入变量。 图2代码的生成图。 50频器 作用：由总框图可以知，这一模块的作用是将输入的 50时钟信号转换为 11信号用于动态显示模块的位选 和段选。作为计数信号的时钟信号。 2成方式： 用 程语言写其代码，则 设计中定义两个端口（一个输入端，一个输出端），一个计数变量。当输入端的时钟发生上升沿跳变时，计数变量自加 1，当计数达到 50000（ 16 进制为 时候，输出端就产生一脉冲信号，作为下一模块的输入变量。 14 位锁存器（ 作用：在总框图中， 14 位锁存器用作显示数据的输出缓冲。当计数模块 送出所计数得到的数值时，就会锁存在锁存器中。当时钟信号到来时，就会将锁存的数据送到动态显示模块中 显示出来。所以 14 位的锁存器是作为一个数据输出的缓冲器。 生成方式： 使用 件中的锁存模块，如下图所示： 电子信息科学与技术 2006 级 2时钟信号到来时，输入端就将数据 D13.存并输出为 Q13.直到下一个时钟信号的到来，再重复上一过程。以 编写代码，应有一个 14 位的输入端，一个时钟信号输入端和一个 14 位的输出端；当时钟信号 发生变化时，输出端就将输入端此时输入的值。 14 位计数器（ 作用：这一模块用来接收被测信号， 并转换成被测信号的频率。 如图（ 6）所示，测试信号由模块的 收 ；当 号为 0 时，计数完成，并将所得的数据保持 ，并送到下一个模块； 号为 0，将所有计数清零，进入下一次计数。 生成方式： 使用 件来设计，其 模块 图如下： 2 写代码时，应有三个输入端，一个 13 位的输出端 和一个计数的变量。 当输入端 生上升沿跳变时，计数变量自加 1，并将其转换为相应的二进制数（将十进制的每一位用四位二进制数表示）；当 输入信号为 0 时，就将计数变量的值输出 ， 计算机信息工程学院 并将原有的计数清零。 数码管动态显示（ 作用 与生成方式 ：将缓冲器里的值 转换为动态输出的数据值。 模块电路 如图所示： 2用 言时， 号则作为时钟信号，内设一变量用来记数 脉冲数，作为时间 延迟； 24 位的输入端口，用作输入要显示的数据，此次论文用了输入端口中的低 13 位； 7 段数码管的 7 位输出端口，用作输出显示的数据； 6 位的位选输出端，输出电子信息科学与技术 2006 级 的 数 据 为 位 选 信 息 。 在 程 序 的 内 部 设 有 十 个 变 量 ， 其 中 六 个 变 量（ 个变量四 位，用来接收 24 位的输入变 量；四位变量 作段选；七位变 作数据输出即 7 段数码管的 7 位输出端口的输出数据；六位变量 作位选信号是，初始值为 1（ 二进制的 000001），每左移一次，选中高一位的数据显示，当发生溢出时，对 次赋值 1（二进制的000001） ； 8 位变量 作延时信号。 3：各个模块的 的仿真 各个模块是独立的，所以每个模块可以单独设计并验证。 1000 进制计数器 仿真结果如图所示： 3真时钟的周期为 40到的输出端 周期为 40为 1000 进制计数器的功能就是将输入信号的频率频率降低为原来的 1/1000，即周期为原来的 1000 倍。所以这一模块符合要求。 50频器 仿真结果如图所示： 计算机信息工程学院 3真时钟周期为 40出端 出为 2因为这一模块的功能是将输入信号的频率 降低为原来的 1/50000，即周期为原来的 50000 倍。所以这一模块符合要求。 14 位锁存器（ 仿真 结果 如图所示： 电子信息科学与技术 2006 级 3输入和输出对比可知：输出的数据都是以 输入的数 据在时钟跳变的时候的值。这一模块的功能就是在发生时钟跳变时将输入端的数据送到输出端，当时钟没发生变化时保持原来的值不变，用做锁存器。所以这一模块符合要求。 14 位计数器（ 如图 3示，当时钟信号每得到一个高电平时， Q13.会自加 1。但是，在得到的数据里，有的时候会出现毛刺；所以在输出的时候就加上了一个 14 位的缓冲级（ 14位的锁存器）。因为在设计时就已经用 Q13.四位二进制数表示一 位十进制数，所以仿真的结果表明这一模块符合要求。 计算机信息工程学院 3统顶 层仿真 仿真结果如图所示： 31位选信号，由波形可知， 逐一显示的。由于测试的时间不是很长，所以所测的值为零。开始输出的信号为（ 0000000），即显示为零。 电子信息科学与技术 2006 级 总结 经过这段时间的学习和写作， 论文基本完成。从最初的茫然，到慢慢 的进入状态，再到对思路逐渐的清晰，整个写作过程难以用语言来表达。 几个月的忙碌，却也没做成什么；虽然能将电路用 译成功 并在 但 用 伟福 用实验开发系统试过，由于对 其的使用不是很 了解，最终无法验证所画电路是 否正确。 计算机信息工程学院 致谢 四年的读书生活在这个夏天即将 划 上一个句号 ，对于我的人生这只是一个逗号， 我将面对 人生的另 一次征程。 四年的学习生活在老师和同学的陪伴，父母亲人 和朋友 的支持下走了下来，在论文 即将付梓之际，思绪万千，心情久久不能平静。 感谢培养教育我的 贵州民族学院。 诚挚的感谢我的论文指导老师 杨 老师。 他 在忙碌的教学工作中挤出时间来审查、修改我的论文。还有教过我的所有老师们，你们严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样； 他们循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪。感谢 四 年中陪伴在我身边的同学、朋友，感谢他们为我提出的有益的建议和意见，有了他们的支持、鼓励和帮助，我才能充实的度过了 四 年的学习生活 ， 同窗之间的友谊永远长存 ！ 最后再一次感谢所有在毕业设计中曾经帮助过我的良师益友和同学，以及在设计中被我引用或参考的论著的作者。 电子信息科学与技术 2006 级 参考文献： 1夏宇闻 字系统设计 . 北京航空航天大学出版社 2王诚 吴继华 范丽珍 薛宁 薛小刚 计 3王建校 危建国 计基础与实践 4杨守良 数字频率计的设计和实现 5张兆莉 蔡永泉 王珏 数字频率计的设计和实现 6 赵雅兴 .