cpld數(shù)字頻率計(jì)綜合設(shè)計(jì).doc

計(jì)數(shù)式數(shù)字頻率計(jì)的CPLD實(shí)現(xiàn)目錄一、概述4二、題目要求5三、設(shè)計(jì)方案的選擇53.1 頻率測(cè)量方案比較63.1.1 直接測(cè)量法63.1.2 組合測(cè)頻法63.1.3 倍頻法63.2.1直接測(cè)量誤差73.2.2 標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差83.2.3 脈沖寬度測(cè)量理論誤差分析8四、單元電路設(shè)計(jì)84.1 整波電路模塊84.2 計(jì)數(shù)模塊94.3 脈沖測(cè)量模塊94.4 數(shù)據(jù)變換模塊104.5 量程選擇模塊104.6 譯碼模塊10五、方案的實(shí)現(xiàn)11六、測(cè)試和調(diào)試126.1 硬件調(diào)試126.2硬件測(cè)試126.3測(cè)試數(shù)據(jù)記錄表166.4測(cè)量結(jié)果分析17七、實(shí)驗(yàn)元器件清單17八、實(shí)驗(yàn)程序17九、結(jié)束語(yǔ)25參考文獻(xiàn)25計(jì)數(shù)式數(shù)字頻率計(jì)的CPLD實(shí)現(xiàn)一、概述數(shù)字頻率計(jì)是數(shù)字電路中的一個(gè)典型應(yīng)用，是計(jì)算機(jī)、通訊設(shè)備、音頻視頻等科研生產(chǎn)領(lǐng)域不可缺少的測(cè)量?jī)x器。實(shí)際的硬件設(shè)計(jì)用到的器件較多，連線比較復(fù)雜，而且會(huì)產(chǎn)生比較大的延時(shí)，造成測(cè)量誤差、可靠性差。隨著復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD）的廣泛應(yīng)用，以EDA工具作為開(kāi)發(fā)手段，運(yùn)用AHDL語(yǔ)言，將使整個(gè)系統(tǒng)大大簡(jiǎn)化， 提高整體的性能和可靠性。采用ADHL編程設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的數(shù)字頻率計(jì)，除被測(cè)信號(hào)的整形部分、鍵輸入部分和數(shù)碼顯示部分以外，其余全部在一片CPLD芯片上實(shí)現(xiàn)，整個(gè)系統(tǒng)非常精簡(jiǎn)。在不更改硬件電路的基礎(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行各種改進(jìn)還可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的性能。該數(shù)字頻率計(jì)具有高速、精確、可靠和抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。本文用AHDL在CPLD器件上實(shí)現(xiàn)一種8位數(shù)字頻率計(jì)測(cè)頻系統(tǒng)，能夠用十進(jìn)制數(shù)碼顯示被測(cè)信號(hào)的頻率，不僅能夠測(cè)量正弦波、方波和三角波等信號(hào)的頻率，而且還能對(duì)其他多種物理量進(jìn)行測(cè)量。具有體積小、可靠性高、功耗低的特點(diǎn)。二、題目要求基本要求：測(cè)量頻率范圍：100Hz100MHz，測(cè)量相對(duì)誤差：1%；測(cè)量信號(hào)：方波峰峰值35V(與TTL兼容)，閘門(mén)時(shí)間：1s；顯示控制：靜態(tài)8位七段LED顯示，且要求顯示穩(wěn)定，刷新時(shí)間與閘門(mén)時(shí)間相同。提高要求：測(cè)量頻率范圍：100Hz100MHz和1Hz1MHz兩檔，相應(yīng)的閘門(mén)時(shí)間為1s和100ms，用一開(kāi)關(guān)量選擇控制。顯示控制：動(dòng)態(tài)掃描8位七段LED顯示，且要求顯示無(wú)閃爍，內(nèi)容刷新時(shí)間與閘門(mén)時(shí)間相同。三、設(shè)計(jì)方案的選根據(jù)頻率計(jì)的設(shè)計(jì)要求，電路系統(tǒng)可劃分為幾個(gè)基本模塊，如圖1.1所示計(jì)數(shù)方式頻率輸出被測(cè)信號(hào)脈沖寬度測(cè)量電路譯碼器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換顯示器量程1HZ1MHZ和100HZ100MHZ由開(kāi)關(guān)K選擇圖1.1 頻率計(jì)組成模塊框圖3.1 頻率測(cè)量方案比較3.1.1 直接測(cè)量法大家都知道，如果根據(jù)基本原理實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率的數(shù)字化測(cè)量，是一種直接測(cè)量的手段，這種方法比較簡(jiǎn)單，如果能滿足設(shè)計(jì)要求的話，應(yīng)該作為首要的選擇方案。下面我們簡(jiǎn)單分析一下使用該方法是否能滿足設(shè)計(jì)要求，把被測(cè)頻率信號(hào)經(jīng)脈沖整形電路處理后加到閘門(mén)的一個(gè)輸入端，只有在閘門(mén)開(kāi)通時(shí)間T(以秒計(jì))內(nèi)， 被計(jì)數(shù)的脈沖送到十進(jìn)制計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)。設(shè)計(jì)數(shù)器的值為N，則可以得到被測(cè)信號(hào)頻率為f = N / T，經(jīng)過(guò)對(duì)照數(shù)字化直接測(cè)量頻率的原理我們可以發(fā)現(xiàn)，本測(cè)量在低頻率段的相對(duì)測(cè)量誤差較大，即在低頻率段不能滿足本設(shè)計(jì)的要求。3.1.2 組合測(cè)頻法 是指在高頻時(shí)采用直接測(cè)量法，低頻時(shí)采用直接測(cè)量周期法測(cè)信號(hào)的周期，然后換算成頻率。這種方法可以在一定程度上彌補(bǔ)方法(1)的不足，但是難以確定最佳分測(cè)點(diǎn)，而且電路實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜。3.1.3 倍頻法是指把頻率測(cè)量范圍分成多個(gè)頻率段，使用倍頻技術(shù)，根據(jù)頻率段設(shè)置倍頻系數(shù)，將經(jīng)過(guò)整形的低頻信號(hào)進(jìn)行倍頻后再進(jìn)行測(cè)量，對(duì)高頻率段則直接進(jìn)行測(cè)量， 倍頻法比較難以實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過(guò)分析我們選擇第二種方法測(cè)量，在1HZ1MHZ量程上采用直接測(cè)量周期法測(cè)信號(hào)的周期，然后換算成頻率，在100HZ100MHZ量程上采用直接測(cè)量法。3.2 理論誤差分析3.2.1直接測(cè)量誤差 若所測(cè)頻率值為fx, 被測(cè)頻率的真實(shí)值為fxe, 標(biāo)準(zhǔn)頻率為fs, 在一次測(cè)量中, 預(yù)置門(mén)時(shí)間為T(mén)pr, 被測(cè)信號(hào)計(jì)數(shù)值為Nx, 標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)計(jì)數(shù)值為Nx. 由于fx計(jì)數(shù)的起停時(shí)間都是由該信號(hào)的上升沿觸發(fā)的, 因此在Tpr時(shí)間內(nèi)對(duì)fx的計(jì)數(shù)Nx無(wú)誤差, 在此時(shí)間內(nèi)的計(jì)數(shù)Ns最多相差一個(gè)脈沖, 即et 1, 則下式成立: fx / Nx = fs / Ns -(式3.1) fxe / Nx = fs / ( Ns + et ) -(式3.2)可以分別推得 fx = fs Nx / Ns -(式3.3) fxe = fs Nx / ( Ns + et ) -(式3.4)根據(jù)相對(duì)誤差公式有 | = fxe / fxe = ( fxe - fx ) / fxe -(式3.5)經(jīng)過(guò)整理可以得到 fxe / fxe = et / Ns -(式3.6)因?yàn)閑t 1, 故et / Ns 1 / Ns, 即 et / Ns 1 / Ns Ns = Tpr fs -(式3.7) 根據(jù)以上分析, 可以知道在直接測(cè)量100Hz-100MHz中最大誤差是測(cè)量100Hz頻率是誤差為1%，因此滿足題目要求。 3.2.2 標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差 標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差為fs / fs, 因?yàn)榫w的穩(wěn)定度很高, 標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差可以進(jìn)行校準(zhǔn), 相對(duì)于量化誤差, 校準(zhǔn)后的標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差可以忽略。3.2.3 脈沖寬度測(cè)量理論誤差分析 根據(jù)方案中的脈沖寬度測(cè)量方法, 分析脈沖寬度測(cè)量誤差. 設(shè)被測(cè)信號(hào)的脈沖寬度為T(mén)wxe, 標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)頻率為fs, 則脈沖寬度的測(cè)量值為: Twx = Nx / fs -(式2.8) 在一次測(cè)量中, 對(duì)標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)的計(jì)數(shù)值Nx可能產(chǎn)生1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)周期的計(jì)數(shù)誤差, 則脈沖寬度測(cè)量相對(duì)誤差為: |Twx / Twx| = ( 1 fs ) / ( Nx fs ) = 1 / Nx -(式2.9)其中Nx = Twx fs. 可以看出, 在fs一定的時(shí)候, 脈沖寬度越小, 誤差越大.在測(cè)量1HZ-1Mhz量程中最大誤差在測(cè)量1MHz上，誤差為： 當(dāng)Twx = 1s, fs = 100MHz時(shí), Nx = 100, 則有: |Twx / Twx| = 1 / 100 = 1% 因此在測(cè)量1HZ-1Mhz量程中誤差也滿足題目要求。四、單元電路設(shè)計(jì)4.1 整波電路模塊 電路圖如下，fin為輸入被測(cè)信號(hào)，通過(guò)此模塊，將信號(hào)二分頻輸出，并得到占空比為50%的方波信號(hào)。FS 圖4-14.2 計(jì)數(shù)模塊電路圖如下，計(jì)數(shù)器模塊為該電路中的核心模塊，它的功能是：對(duì)系統(tǒng)40MHZ時(shí)鐘進(jìn)行分頻得到1HZ的頻率信號(hào)，在高電平時(shí)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，在低電平時(shí)將所計(jì)的數(shù)輸出到量程選擇模塊鎖存。圖4-24.3 脈沖測(cè)量模塊 此模塊完成脈沖測(cè)量方式，為了提高測(cè)量精度，首先將系統(tǒng)時(shí)鐘inclk分頻得到1MHZ的時(shí)鐘，在為高電平時(shí)計(jì)數(shù)，低電平時(shí)將測(cè)量數(shù)據(jù)輸出。圖4-34.4 數(shù)據(jù)變換模塊 電路圖如下，該模塊完成脈沖測(cè)量數(shù)據(jù)到頻率的轉(zhuǎn)換，公式為：f=1000000/采樣值。圖4-44.5 量程選擇模塊 電路圖如下，此模塊完成計(jì)數(shù)方式與脈沖測(cè)量方式得到的數(shù)據(jù)之間的切換，其中K為高電平時(shí)選擇計(jì)數(shù)方式，K為低電平時(shí)選擇脈沖測(cè)量方式數(shù)據(jù)。圖4-54.6 譯碼模塊 此模塊由兩個(gè)電路組成一個(gè)十六進(jìn)制轉(zhuǎn)換BCD碼轉(zhuǎn)換模塊16tobcd和顯示輸出模塊decode7s組成。 16tobcd模塊電路圖如下，完成十六進(jìn)制到BCD碼轉(zhuǎn)換。圖4-6 decode7s模塊電路圖如下，主要完成7段共陰極數(shù)碼管的譯碼及驅(qū)動(dòng)，其中8位BCD碼由mout31.0輸入，7SA6.0、7SB7.0分別為兩個(gè)掃描顯示的段輸出，sela3.0、selb3.0為八個(gè)掃描顯示的位選擇。7sc6.0、6sd6.0為兩個(gè)靜態(tài)顯示數(shù)碼管的段輸出，顯示“”字樣。整體設(shè)計(jì)采用高位滅零顯示方式。圖4-7五、方案的實(shí)現(xiàn)8個(gè)七段數(shù)碼管 CPLD40MHZ晶振電源圖5-1整個(gè)方案我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室進(jìn)行仿真成功，通過(guò)將程序燒錄到CPLD中，布置引腳觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果。六、測(cè)試和調(diào)試6.1 硬件調(diào)試 在軟件設(shè)計(jì)編譯成功后，我們進(jìn)行了每個(gè)模塊在實(shí)驗(yàn)裝置上的調(diào)試，不斷修改程序直至每個(gè)模塊達(dá)到預(yù)計(jì)要求。之后將所有模塊連接好，進(jìn)行整體調(diào)試，下圖是調(diào)試成功結(jié)果，進(jìn)行數(shù)碼管測(cè)試，顯示“8888888888”。圖6-16.2硬件測(cè)試(1) 為了得到不同頻率的測(cè)試信號(hào)我們專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了一個(gè)分頻模塊來(lái)產(chǎn)生不同頻率的信號(hào)，電路圖如下。圖6-2（2）量程1Hz-1MHz測(cè)試調(diào)節(jié)分頻模塊輸出信號(hào)的頻率為20Hz，測(cè)試結(jié)果如下圖所示。圖6-3調(diào)節(jié)分頻模塊輸出信號(hào)的頻率為500Hz，測(cè)試結(jié)果如下圖所示。圖6-4調(diào)節(jié)分頻模塊輸出信號(hào)的頻率為5000Hz，測(cè)試結(jié)果如下圖所示。圖6-5（3）量程100Hz-100MHz測(cè)試調(diào)節(jié)分頻模塊輸出信號(hào)的頻率為5000Hz，測(cè)試結(jié)果如下圖所示。K為高電平圖6-7調(diào)節(jié)分頻模塊輸出信號(hào)的頻率為10MHz，測(cè)試結(jié)果如下圖所示。K為高電平 圖6-8調(diào)節(jié)分頻模塊輸出信號(hào)的頻率為40MHz，測(cè)試結(jié)果如下圖所示K為高電平圖6-96.3測(cè)試數(shù)據(jù)記錄表 量程1Hz-1MHz100HZ-100MHz被測(cè)信號(hào)實(shí)際頻率20Hz500Hz5000Hz5000Hz10MHz40MHz測(cè)試頻率20Hz500Hz5000 Hz4999Hz10MHz39.999999MHz測(cè)試誤差0000.02%00表6-16.4測(cè)量結(jié)果分析 通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室硬件仿真結(jié)果可知基本完成了課程要求的任務(wù)，通過(guò)開(kāi)關(guān)對(duì)量程進(jìn)行選擇，在低量程中可以經(jīng)測(cè)量小于的頻率。在測(cè)量誤差上小于，且顯示無(wú)閃爍并采用高位滅零顯示。七、實(shí)驗(yàn)元器件清單（）開(kāi)發(fā)系統(tǒng)MAX+PLUS10.0（）使用器件ACEX EP1K100QC2008-3（3）實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)CPLDEE4使用開(kāi)發(fā)系統(tǒng)。八、實(shí)驗(yàn)程序?qū)嶒?yàn)程序總圖如下：圖8-1208.1分頻模塊fpsubdesign fp(inclk:input;outputf :output;)Variablema 26.0:dff;fd:dff;beginma.clk=inclk;fd.clk=inclk; if ma=1 thenma=0;fd=! fd;elsema=ma+1;fd=fd;end if;outputf=fd;end;8.2計(jì)數(shù)模塊fsurveyasubdesign fsurveya(inclk,fin:input;mf25.0 :output;)Variablema 26.0:dff;fd:dff;st1.0:dff;mc 25.0,mf25.0:dff;beginma.clk=inclk;fd.clk=inclk;st.clk=inclk;mc.clk=fin;mf.clk=inclk; if ma=79999999 thenma=0;fd=! fd;elsema=ma+1;fd=fd;end if;case st is when 0= mc=0;mf=mf;if fd then st=1;else st=0;end if;when 1=MF=MF;If fd then st =1;mc=mc+1;elsest=2;mc=mc;end if;when 2= mf=mc;mc=mc;st=0;end case;end;8.3脈沖測(cè)量模塊fsurveybSubdesign fsurveyb(inclk,fin:input;mf25.0 : output;)Variablema25.0 , mf25.0, mc25.0:dff;mfd: dff;st1.0:dff;beginma.clk=inclk;mfd.clk=inclk;st.clk=inclk;mf.clk=inclk; mc.clk=mfd;if ma=19 thenma=0;mfd=! Mfd;elsema=ma+1;mfd=mfd;end if ;case st iswhen 0= mf=mf;mc=0;if fin thenst=1;elsest=0;end if;when 1=mf=mf;if fin thenst=1; elsest=0;end if;when 1=mf=mf;if fin thenmc=mc+1;st=1;elsest=2;mc=mc;end if;when 2=mf=mc;mc=mc;st=0;end case;end;8.4數(shù)據(jù)變換模塊div10mcincludedivide32.inc;subdesign div10mc(inclk,mf25.0:input;mfo25.0:output;)variablemdiv32:divide32;beginmdiv32.inclk=inclk;mdiv32.a=100000000;mdiv32.b=(0,mf);mfo=mdiv32.c25.0;end;8.5量程選擇模塊selsubdesignsel(mf25.0,mfo25.0,k:input;mfout25.0:output;)beginIfkthenmfout =mf ;elsemfout =mfo;end if;end;8.6十六進(jìn)制轉(zhuǎn)換BCD碼模塊16tobcdsubdesign 16tobcd(mf25.0,inclk:input;mout31.0:output;)variablema25.0,mout31.0:dff;st1.0:dff;moutx31.0:dff;beginma.clk=inclk;st.clk=inclk;moutx31.0.clk=inclk;mout.clk=inclk;case st iswhen 0=ma=mf;st=1;mout=mout;when 1= mout=mout;if ma99 thenst=1;ma=ma-100; if moutx11.8=9 then moutx11.8=0; if moutx15.12=9 then moutx15.12=0; if moutx19.16=9 then moutx19.16=0; if moutx23.20 =9 thenmoutx23.20=0; if moutx27.24=9 then moutx27.24=0;moutx31.28=moutx31.28+1; elsemoutx27.24=moutx27.24+1;moutx31.28=moutx31.28;end if;elsemoutx23.20=moutx23.20+1;moutx31.24=moutx31.24;end if;ElseMoutx19.16=moutx19.16+1;moutx31.20=moutx31.20;End if;ElseMoutx15.12=moutx15.12+1;moutx31.16=moutx31.16;End if;Else Moutx11.8=moutx11.8+1;moutx31.12=moutx31.12;End if;Else Moutx31.8=moutx31.8;If ma9 then St=1;ma=ma-10; Moutx7.4=moutx7.4+1;ElseMoutx7.4=moutx7.4;Moutx3.0=ma3.0;St=2;End if;End if;When 2= mout=moutx;moutx=moutx;st=0;end case;end;8.7譯碼驅(qū)動(dòng)模塊decode7ssubdesign decode7s(mout31.0,inclk,k:input;7sa6.0,7sb7.0,sela3.0,selb 3.0:output;7sc6.0,7sd6.0:output;)variablema9.0,f,sta1.0,stb1.0,mda3.0,mdb3.0:dff;begin7sc=h5b;7sd=h76;mda.clk=inclk;mdb.clk=inclk;ma.clk=inclk;sta.clk=f;stb.clk=f;f.clk=inclk;if ma=1000 then ma=0;f=!f;elsema=ma+1;f=f;end if;sta=sta+1;stb=stb+1;case sta iswhen 0= Mda=mout31.28;If mout 31.28=0 thenSela=0;ElseSela=8;End if;When 1=Mda=mout27.24;If mout31.24=0 thenSela=0;ElseSela=4;End if;When 2=Mda=mout23.20;If mout31.20=0 thenSela=0;ElseSela=2;End if;When 3=Mda=mout19.16;If mout31.16=0 thenSela=0;Else Sela=1;End if;End case;Case stb isWhen 0=Mdb=mout15.12;If mout31.12=0 thenselb=0;Elseselb=8;End if; When 1=Mdb=mout11.8;If k then7sb7=gnd;Else7sb7=vcc;End if;If mout31.8=0 thenSelb=0;ElseSelb=4;End if;When 2=Mdb=mout7.4;Selb=2;When 3=Mdb=mout3.0;Selb=1;End case;TableMd