课程设计（论文）-基于fpga的数字音频相位表设计与实现

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1、I摘要摘要近年来，随着技术的不断进步，同频信号间的相位差的数字化测量在电子技术、工业自动化、智能控制及通信等许多领域都有广泛的应用。本系统是基于XILINX公司的ISE9.1设计软件及其生产的FPGA、采用Verilog-HDL硬件描述语言设计的音频数字式相位测量表，主要由鉴相器、累加计数器、控制电路、寄存及显示电路组成。ISE是使用XILINX的FPGA的必备的设计工具，它可以完成FPGA开发的全部流程，包括设计输入、仿真、综合、布局布线、生成BIT文件、配置以及在线调试等，功能非常强大。自从现场可编程门阵列（FPGA）面市以来，以其功能强、速

2、度快、精度高、灵活性大及设计周期短等特点，使其在现代数字系统中得到广泛的应用。而VHDL语言因其严谨的语言结构、强大的系统硬件描述能力、支持广泛、易于修改特点而在现代数字系统设计中受到广泛使用。关键词：相位差，ISE，相位表，FPGA，Verilog-HDLII目录第1章引言1第2章设计软件及器件简介22.1ISE软件简介22.2Spartan3A系列器件简介22.3VHDL语言简介3第3章相位表设计53.1设计原理53.2各组成部分设计83.3程序设计说明11参考文献13附录14程序1：顶层（top）模块14程序2：鉴相器模块17程序3：分频模

3、块18程序4：模K（K=3500）计数器模块19程序5：模4096计数器模块20程序6：计数使能模块22程序7：十—BCD计数模块22程序8：BCD译码器模块24程序9：锁存器模块24程序10：数据选通模块25程序11：LED显示模块26IIII第1章引言第1章引言在现代测试技术中，对于各种类型的被测量大都是直接或通过各种传感器及电路转换为与被测量相关的电压、电流、时间、频率等电学基本参量后进行检测和处理的，这样即能提高测量的精度，又便于对被测量的检测、处理、记录和控制。相位是描述交流信号的三要素之一。相位差的测量是研究信号、网络特性、工业自动化

4、、智能控制及通信中不可缺少的重要方面。相位表就是测量两个同频正弦电量之间相位差的仪器，是在工业及科研领域中常用的一般测量仪器。而基于FPGA的数字化相位测量因其在硬件成本低、抗干扰能力强、对于不同的测量对象只需要改变程序的算法而不需要人工改变电路结构，且精度一般优于模拟式测量等优点，而受到广泛的关注与应用。赛林思（Xilinx）公司是全球领先的可编程逻辑从软件设计到芯片实现完整解决方案的供应商。笔者正是基于赛林思公司的ISE设计软件以及该公司生产的Spartan3AandSpartan3AN系列的XC3S200A器件实验板为核心设计的数字音频相位

5、表。该相位表的频率测量范围覆盖了音频（20Hz-20Khz）范围，相位测量范围是360°，测量显示精度为0.1°，测量误差范围在1°以内。1基于FPGA的数字音频相位表设计与实现第2章设计软件及器件简介在现代复杂的数字系统设计中，现场可编程门阵列（FPGA）是最常用的芯片，作为全球最重要的FPGA提供商之一的赛林思（Xilinx）公司一直是可编程逻辑从软件设计到芯片实现完整解决方案方面的领军者。作为IEEE工业标准的VHDL硬件设计语言，在电子系统设计上得到广泛的应用。2.1ISE软件简介ISE是使用XILINX的FPGA的必备的设计工具，该软件

6、为全球30多万用户提供可编程逻辑设计解决方案，直观的、从前端到后端的全面设计环境支持所有赛灵思产品系列，包括Virtex-II、Virtex-II Pro、Virtex-4 和 Virtex-5 平台 FPGA、 Spartan™-3 代 FPGA和CoolRunner™-II CPLD。它可以完成FPGA开发的全部流程，包括设计输入、仿真、综合、布局布线、生成BIT文件、配置以及在线调试等，功能非常强大。ISE除了我们功能完整，使用方便外，它的设计性能也非常好。笔者设计所用的ISE 9.1i版本专门为满足业界当前面临的主要设计挑战而优化，这些挑

7、战包括时序收敛、设计人员生产力和设计功耗。除了运行速度提高2.5倍以外，ISE 9.1i还新采用了SmartCompile 技术，因而可在确保设计中未变更部分实施结果的同时，将硬件实现的速度再提高多达6倍。同时，ISE 9.1i 还优化了其最新65nm Virtex™-5 平台独特的ExpressFabric™技术，可提供比竞争对手的解决方案平均高出30%的性能指标。对于功耗敏感的应用， ISE 9.1i还可将动态功耗平均降低10%。2.2Spartan3A系列器件简介2006年12月推出的Spartan-3A平台为I/O数量和功能比逻辑密度更重

8、要的应用提供了一个成本更低的解决方案。Spartan-3AFPGA支持业界最广泛的I/O标准（26种），具备独特的功耗和配置功能以及防克