学位论文—基于fpga的数字频率计的设计论文.doc

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1、基于FPGA的数字频率计的设计2004级电子信息工程专业何亚军指导教师曾技摘要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，在电子工程、资源勘探等相关应用上，频率计是工程技术人员必不可少的测量工具。因此，测频原理及方法的研究正受到越来越多的关注。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。但难以提高计数器的工作频率，而且测量的精度不高。因此采用可编程逻辑器件(FPGA)来实现数字频率计。应用VHDL进行自顶向下的设计，即使用VHDL模型在所有综合级别上对硬件设计进行说明、建模和仿真测试。通过逻辑综合后，把适配

2、生成的配置文件，通过编程器向FPGACPLD进行下载。最后进行硬件调试与验证。本设计的系统除了脉冲整形、显示部分的电路不在可编程电路之中，其余的电路都集成在可编程逻辑器件中。本设计具有测频范围宽、精度高、可靠性高等优点。符合现代EDA设计的要求。关键词频率，可编程逻辑器件，电子设计自动化，硬件描述语言1绪论在电子技术领域内，频率与电压一样，也是一个基本参数。随着现代科技的发展，时间及频率计量的意义已日益明显。例如，在卫星发射、导弹跟踪、飞机导航、潜艇定位、大地测量、天文观测、邮电通信、广播电视、交通运输、科学研究、生产及生活等各个方面，都需

3、要对时间及频率的计量，也都离不开对时间及频率的计量。因此，测频原理及方法的研究正受到越来越多的关注。目前多用电子计数器测频，它具有测量精度高、速度快、自动化程度高、操作简便、直接显示数字等特点，尤其是与微处理器相结合，实现了程控化和智能化，构成智能化计数器。目前，电子计数器几乎取代了模拟式测量仪器。而电子计数器测频法又有两种实现方法：直接计数测频法和等精度测频法。直接计数测频法只是简单地记下单位时间内周期信号的重复次数，其计数值会有个计数误差。此方法的测量精度主要取决于基准时间和计数器的计数误差。等精度测频方法是在直接测频方法的基础上发展起来

4、的。它的闸门时间不是固定的值，而是被测信号周期的整数倍，即与被测信号同步，因此，摒除了对被测信号计数所产生的个计数值的误差，并且达到了在整个测试频段的等精度测量。本设计采用的是直接计数法来测量频率。2频率测量的原理和外围硬件电路的设计所谓频率，就是周期性信号在单位时间(1s)内变化的次数。若在一定时间间隔T内测得这个周期性信号的重复变化次数为N，则其频率可表示为。频率测量方法可分为模拟测量法与数字测量法两类。模拟测量法包括利用谐振特性进行测量和与已知标准频率信号比较形成的李萨育图形进行测量。模拟测频法测量系统复杂，使用不方便，精度也很难保证。

5、数字测量方法的基本工作原理是：先对被测量信号进行整形变换，得到与其同频的脉冲串信号，对于频率较高的脉冲信号，通过在已知的闸门时间内对其进行计数计算出信号频率，称为测频法。对于频率较低的脉冲信号，则在被测信号一个周期内对已知的标准频率信号进行计数，测出其周期值，进一步再换算为频率值，称为测周法。图1是数字频率计的组成框图。被测信号V经放大整形电路变成计数器所要求的脉冲信号I，其频率与被测信号的频率相同。时基电路提供标准时间基准信号II，其高电平持续时间T1=1s，当1s信号来到时，闸门开通，被测脉冲信号通过闸门，计数器开始计数，直到1s信号结束

6、时闸门关闭，停止计数。若在闸门时间1s内计数器计得的脉冲个数为N，则被测信号频率=。逻辑控制电路的作用有两个：一是产生锁存脉冲IV，使其显示器上的数字稳定；二是产生清零脉冲V，使计数器每次测量从零开始计数。图1数字频率计的组成框图本设计的系统除了脉冲整形、显示部分的电路不在可编程电路之中，其余的电路都集成在可编程逻辑器件中。频率计硬件电路示意图如图2所示。图2频率计硬件电路示意图其中，放大整形电路由晶体管3DG100与74LS00等组成，其中3DG100组成放大器将输入频率为的周期信号如正弦波、三角波等进行放大。与非门74LS00构成施密特触

7、发器，它对放大器的输出信号进行整形，使之成为矩形脉冲。放大整形电路如图3所示。一般来说，多个七段LED数码管的连接并不是把每个数码管都独立地也可编程逻辑电路连接，而是把所有的LED管的输入信号连在一起，如图4所示。这样做的好处有两点：其一是节约可编程逻辑器件的I/O口；其二是降低功耗。每次向LED写数据时，通过片选信号选通其中一个LED管，然后把数据写入该LED管。因此每个时刻只有一个LED是亮的。为了能持续看到LED上面的显示内容，必须对LED管进行扫描，即依次并循环地点亮各个LED管。利用人眼的视觉暂停效应，在一定的扫描的频率下，人眼就会

8、看到好几个LED一起点亮。每个LED消耗的功率是比较大，如果所有的LED一起点亮，其功率很大。利用扫描的方法，那么每个时刻只有一个LED管是亮的，因此大大减少了功耗