EDA技术课程设计报告

EDA技术课程设计报告课题名称：六位频率计的设计电子工程系2023年

目录TOC\o"1-2"\h\z\u一概述 -1-（一）设计背景及意义 -2-（二）设计任务与规定 -2-二六位频率计的工作原理 -2-三六位频率计的设计与仿真 -3-（一）六位十进制频率计的设计与仿真 -4-（二）六位十六进制频率计的设计与仿真 -6-四调试过程、测试结果及分析 -9-（一）六位十进制频率计的调试过程、测试结果及分析 -9-（二）六位十进制频率计扩展功能的调试过程、测试结果及分析 -9-（三）六位十六进制频率计的调试过程、测试结果及分析 -10-五课程设计体会 -11-六参考文献 -12-六位频率计的设计一概述（一）设计背景及意义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，因此测频计常受到人们的青睐。目前许多高精度的数字频率计都采用单片机加上外部的高速计数器来实现，然而单片机的时钟频率不高导致测频速度比较慢，并且在这种设计中，由于PCB版的集成度不高，导致PCB板走线长，因此难以提高计数器的工作频率。为了克服这种缺陷，大大提高测量精度和速度，我们可以设计一种可编程逻辑器件来实现数字频率计。数字频率仪器是数字电路中一个典型应用，实际的硬件设计用到的器件较多，联机比较复杂，并且会产生比较大的延时。随着复杂可编程逻辑器件的广泛应用，将使整个人系统大大简化，提高整体性能。它是直接用十进制数字来显示被测信号频率的一种测量装置。它不仅可以测量正弦波、方波、三角波、尖脉冲信号和其他具有周期的信号的频率，并且还可以测量他们的周期。通过改装，还可以测量脉冲宽度，做成数字式脉冲测量仪；可以测量电容，做成数字式电容测量仪；在电路中增长传感器，还可以做成数字脉搏仪、计数器等。因此数字频率仪在测量物理量方面有广泛应用。（二）设计任务与规定1、设计任务采用原理图设计并制作六位十进制频率计，用VHDL语言方法设计并制作六位十六进制频率计。2、设计规定参考信号频率为1Hz;测量频率范围：六位十进制频率计：1Hz100kHz；六位十六进制频率计：1Hz4MHz；结果能用数码显示器显示。二六位频率计的工作原理测频控制电路计数器锁存器显示电路比较信号被测信号频率计的设计结构一般都是由频率计测频时序控制电路，计数器电路，锁存器以及显示器这四个模块组成（原理框图如下所示）。根据频率的定义以及频率的测量基本原理可知，测定信号的频率必须有一个脉宽为1s的输入信号脉计数允许的信号，由于测频时序控制电路是一个16分频电路，因此1HZ脉冲信号通过测频时序控制电路后便会产生频率为1/16HZ的输出信号，即时钟周期为16s。由于测频控制电路输出的是使能信号高电平有效，则只有在脉宽为8s时才干计数，即在1s的输入信号下可计8个数。当在计数器输入端输入一个NHZ的信号时，则它在使能端输出高电平下一共可计8N个数值，当时钟信号下降沿来临时产生所存信号把所计的数值锁存到锁存器中并测频控制电路计数器锁存器显示电路比较信号被测信号1．三六位频率计的设计与仿真要在实验箱上观测到实验现象时，则必须通过两大环节：=1\*GB3①.软件测试。其中涉及原理图的设计与仿真或是VHDL语言描述与仿真和管脚锁定=2\*GB3②.硬件测试。它涉及实验箱的下载和电路的搭建=1\*GB4㈠．软件测试原理图设计与仿真环节：打开quartusII软件，一方面创建一个工程并保存，然后新建一个原理图文献（.dbf）或是VHDL文献，此时原理图文献（VHDL文献）名要与工程名相同且与工程保存在同一途径下，最后在工程里面打开原理图文献或是VHDL文献则可在其中编辑原理图或编写VHDL语言描述。原理图(或VHDL)编辑完毕后先编译，编译成功后则可进行防真。打开仿真文献（.vwf）,先添加进原理图(或VHDL)的功能端口即输入输出端口，然后根据实现其功能的原理设立时钟周期（一般设立为20us）以及各端口的脉冲频率。假如输出端是计数端,则应在countvaule—timing里面设立countevery的计数时钟，并且还可根据需求设立输出方式是按二进制，十进制还是十六进制形式输出。各项数据设立完毕后，按原理图文献名保存并保存在与其同一途径下，然后仿真，直到仿真成功为止。假如以上编辑的都是底层文献时，则需要将底层文献包装变成一个单一元件并放置在工程途径指定的目录中以备顶层文献的编辑调用，如是顶层或是单一文献时则不需要进行构建元件符号。由于底层文献不需要在实验箱上观测效果，则没必要进行管脚锁定以及后面的相关操作了，而顶层文献是要在实验箱上观测最终实验结果的则仿真完毕后需进行管脚锁定。=2\*GB4㈡.硬件测试硬件结果显示环节：连接实验箱上的电源线，将计算机下载线连接到实验箱上，根据各端口相应的管脚进行连线，完毕后打开电源与实验箱开关进行配置文献下载，但在下载之前一定要先编译一次。下载成功后则可在实验箱直接观测到实验现象。（一）六位十进制频率计的设计与仿真底层TF_CTRL原理图：其仿真波形：底层CNT_10原理图：其仿真波形：顶层TOP原理图：其仿真波形：（二）六位十六进制频率计的设计与仿真--测频控制电路(FTCTRL)LIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USEIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITYFTCTRLISPORT(CLKK:INSTD_LOGIC;--1HzCNT_EN:OUTSTD_LOGIC;--计数器时钟使能RET_CNT:OUTSTD_LOGIC;--计数器清零LOAD:OUTSTD_LOGIC);--输出锁存信号ENDFTCTRL;ARCHITECTUREbehaveOFFTCTRLISSIGNALDiv2CLK:STD_LOGIC;BEGINPROCESS(CLKK)BEGINIFCLKK’EVENTANDCLKK=’1’THEN--Div2CLK<=NOTDiv2CLK;ENDIF;ENDPROCESS;PROCESS(CLKK,Div2CLK)BEGINIFCLKK=’0’ANDDiv2CLK=’0’THENRET_CNT<=’--产生计数器清零信号ELSERST_CNT<=‘0’ENDIF;ENDPROCESS;LOAD<=NOTDiv2CLK;CNT_EN<=Div2CLK;ENDbehave;仿真波形：24位锁存器(REG24B)LIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITYREG24BISPORT(LK:INSTD_LOGIC;DIN:INSTD_LOGIC_VECTOR(23DOWNTO0);DOUT:OUTSTD_LOGIC_VECTOR(23DOWNTO0));ENDREG24B;ARCHITECTUREbehaveOFREG24BISBEGINPROCESS(LK,DIN)BEGINIFLK’EVENTANDLK=‘1’ENDIF;ENDPROCESS;ENDbehave;仿真波形：24位计数器(COUNTER24B)LIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USEIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITYCOUNTER24BISPORT(FIN:INSTD_LOGIC;时钟信号CLR:INSTD_LOGIC;清零信号ENABL:INSTD_LOGIC;计数使能信号DOUT:OUTSTD_LOGIC_VECTOR(23DOWNTO0));计数结果ENDCOUNTER24B;ARCHITECTUREbehaveOFCOUNTER24BISSIGNALCQI:STD_LOGIC_VECTOR(23DOWNTO0);BEGINPROCESS(FIN,CLR,ENABL)BEGINIFCLR=‘1’THENCQI<=(OTHERS=>’0ELSIFFIN’EVENTANDFIN=‘1’IFENABL=‘1’ENDIF;ENDIF;ENDPROCESS;DOUT<=CQI;ENDbehave;仿真波形：频率计顶层文献(FREQTEST)LIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITYFREQTESTISPORT(CLK1HZ:INSTD_LOGIC;FSIN:INSTD_LOGIC;DOUT:OUTSTD_LOGIC_VECTOR(23DOWNTO0));ENDFREQTEST;ARCHITECTUREstrucOFFREQTESTISCOMPONENTFTCTRLPORT(CLKK:INSTD_LOGIC;1HZCNT_EN:OUTSTD_LOGIC;计数器时钟使能RST_CNT:OUTSTD_LOGIC;计数器清零Load:OUTSTD_LOGIC);输出锁存信号ENDCOMPONENT;COMPONENTCOUNTER24BPORT(FIN:INSTD_LOGIC;时钟信号CLR:INSTD_LOGIC;清零信号ENABL:INSTD_LOGIC;计数使能信号DOUT:OUTSTD_LOGIC_VECTOR(23DOWNTO0));计数结果ENDCOMPONENT;COMPONENTREG24BPORT(LK:INSTD_LOGIC;DIN:INSTD_LOGIC_VECTOR(23DOWNTO0);DOUT:OUTSTD_LOGIC_VECTOR(23DOWNTO0));ENDCOMPONENT;SIGNALTSTEN1:STD_LOGIC;SIGNALCLR_CNT1:STD_LOGIC;SIGNALLoad1:STD_LOGIC;SIGNALDTO1:STD_LOGIC_VECTOR(23DOWNTO0);SIGNALCARRY_OUT1:STD_LOGIC_VECTOR(6DOWNTO0);BEGINU1:FTCTRLU2:REG24BPORTMAP(LK=>Load1,DIN=>DTO1,DOUT=>DOUT);U3:COUNTER24BPORTMAP(FIN=>FSIN,CLR=>CLR_CNT1,ENABL=>TSTEN1,DOUT=>DTO1);ENDstruc;仿真波形：四调试过程、测试结果及分析（一）六位十进制频率计的调试过程、测试结果及分析调试过程分析：根据频率的定义和频率测量的基本原理，测定信号的频率必须有一个脉宽为1秒的对输入信号脉冲计数允许的信号；1秒计数结束后，计数值锁入锁存器的锁存信号和为下一测频计数周期作准备的计数器清0信号。这个清0信号可以由一个测频控制信号发生器产生，即TF_CTRL，它的设计规定是，TF_CTRL的计数使能信号ENB能产生一个1秒脉宽的周期信号，并对频率计的每一计数器CNT10的ENB使能端进行同步控制。当ENB高电平时，允许计数；低电平时停止计数，并保持其所计的脉冲数。其测试结果如下：表1六位十进制频率计的测试结果CLK1=1Hz(测试门限为8s)clk1Hz10Hz100Hz1kHz10kHz100kHz测试结果880800800080000800000（二）六位十进制频率计扩展功能的调试过程、测试结果及分析调试过程与上基本相同，不同的是输出的结果不同。如按上面仿真时的参数设立则输出的计数值应是2，实验箱上的测试结果如表2所示。分析：当测定信号的输入时钟为1s时，测频控制电路的输出脉宽是8s,而为了使测频控制电路也输出1s的脉宽，则对8s的输出的脉宽进行三次倍频将它与QA,QB,QC与即CNT_EN=（在原理图上增长一个四输入与门将QC,QB,QA相与后再做使能端输出），相与后再作为使能端信号输出，得到1s脉宽。因此当输入一个NHZ的脉冲信号时，它输出的计数值即为N.实现其原理波形分析如下所示：表2六位十进制频率计的测试结果CLK1=1Hz(测试门限为1s)clk1Hz10Hz100Hz1kHz10kHz100kHz测试结果110100100010000100000（三）六位十六进制频率计的调试过程、测试结果及分析其调试过程同十进制的类似，不同的是输出的方式不同，此是按十六进制输出。软件实验结果即为FREQTEST的仿真波形。而在硬件上由于实验上的数码管是按8421BCD码输出，则当数码管上的数值超过了9时是无法显示的。分析：实验原理基本与十进制频率计的相同，只是这里的设计规定是：TFCTRL的计数使能信号CNT_EN能产生一个1秒脉宽的周期信号，并对频率计的24位二进制计数器COUN