【畢業(yè)學(xué)位論文】（Word原稿）基于FPGA的對(duì)數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)-電子信息科學(xué)與技術(shù)

計(jì)算機(jī)信息工程學(xué)院 本 科 畢 業(yè) 論 文 題目： 基 于 對(duì) 數(shù) 字 頻 率 計(jì)的 設(shè) 計(jì) 學(xué) 院： 計(jì) 算 機(jī) 信 息 與 工 程 學(xué) 院 專 業(yè)： 電 子 信 息 科 學(xué) 與 技 術(shù) 班 級(jí)： 2 0 0 6 級(jí) 電 子 班 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)老師： 電子信息科學(xué)與技術(shù) 2006 級(jí) 基于 數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì) 洪曉寧 摘要： 現(xiàn)場(chǎng) 可 編程門陣列的出現(xiàn)給現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)帶來了極大的方便和靈活性 ， 使復(fù)雜的數(shù)字電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)變?yōu)樾酒?jí)設(shè)計(jì) ， 同時(shí)還 可 以很方便地對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行在線修改。本文以設(shè)計(jì)個(gè) 四 位顯示的 十 進(jìn)制數(shù)字頻率計(jì)為例 ， 在片 片上實(shí)現(xiàn)多位數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì) ，來完成對(duì) 學(xué)習(xí) 。在設(shè)計(jì)中 ， 所有頻段均采用 直 接測(cè)頻法對(duì)信號(hào)頻率進(jìn)行測(cè)量 ， 克服了逼近式換擋速度慢的缺點(diǎn)。 關(guān)鍵詞： 數(shù)字頻率計(jì)； 現(xiàn)玚 可編程門陣列（ 直接測(cè)量法 of he to of on an W a an on a of of is by of of m 計(jì)算機(jī)信息工程學(xué)院 目錄 前言 . 5 1、 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) . 6 2：各個(gè)模塊的實(shí)現(xiàn) . 7 1000 進(jìn)制計(jì)數(shù)器 . 7 50. 8 14 位鎖存器（ . 8 14 位計(jì)數(shù)器（ . 9 數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示（ . 10 3：各個(gè)模塊的的仿 真 . 11 1000 進(jìn)制計(jì)數(shù)器 . 11 50. 11 14 位鎖存器（ . 12 14 位計(jì)數(shù)器（ . 13 統(tǒng)頂層仿真 . 14 總結(jié) . 15 致謝 . 16 參考文獻(xiàn) . 17 符錄 . 18 電子信息科學(xué)與技術(shù) 2006 級(jí) 前言 隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的深入發(fā)展以及 計(jì)技術(shù)的不斷進(jìn)步與完善，不僅給電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用帶來了新的設(shè)計(jì)思路和發(fā)展機(jī)遇，也對(duì)傳統(tǒng)的電子設(shè)計(jì)手段提出了 嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。 傳統(tǒng)的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)，是以各種不同的 集成電路芯片為基礎(chǔ)，按照功能要求在印制電路板上將不同的芯片拼接、組合，構(gòu)成實(shí)現(xiàn)某種功能的電子系統(tǒng)。這樣的設(shè)計(jì)方法不僅繁瑣，而且設(shè)計(jì)過程中的錯(cuò)誤和不足之處不能及早的發(fā)現(xiàn)；進(jìn)入調(diào)試階段后，一旦發(fā)妯錯(cuò)誤或缺陷，也不能現(xiàn)場(chǎng)更正。這將使研發(fā)的時(shí)間變長，研發(fā)的成本加大。能夠克服上述缺點(diǎn)的是片上可編程系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱 微電子技術(shù) 、計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的飛速發(fā)展，不僅使得電子系統(tǒng)的小型化、微型化進(jìn)程加快，而且給電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來了前所未有的變革。大規(guī)模 片問世，為電子系 統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了硬件基礎(chǔ) 礎(chǔ)，幾乎大多數(shù)電子系統(tǒng)都可以在一塊芯片上實(shí)現(xiàn)。 司的 件就是 計(jì)的最優(yōu)秀的軟件之一，使用它不僅可以靈活地設(shè)計(jì)電子系統(tǒng)，而且還可以對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行模擬 仿真，及早發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤和缺陷。使用 好處不僅表現(xiàn)在設(shè)計(jì)的初級(jí)階段，即使在電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成之后，甚至投入實(shí)際使用的過程中，還可以根據(jù)實(shí)際需要添加功能。 本次寫作是以設(shè)計(jì)頻率計(jì)為實(shí)例來學(xué)習(xí) 言和 件。 計(jì)算機(jī)信息工程學(xué)院 1、 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 在 件中，可使用 多種編程語言。本文以 編程語言。 采用言設(shè)計(jì)一個(gè)復(fù)雜的電路系統(tǒng)，運(yùn)用自頂向 下的 設(shè)計(jì)思想，將系統(tǒng)按功能逐層分割的層次化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。在頂層對(duì)內(nèi)部各功能塊的連接關(guān)系和對(duì)外的接口關(guān)系進(jìn)行了描述，而功能塊的邏輯功能和具體實(shí)現(xiàn)形式則 由下 一 層模塊來描述。根據(jù) 本 數(shù)字頻率計(jì)實(shí)現(xiàn)原理，運(yùn)用自頂向 下 的設(shè)計(jì)思想 。系統(tǒng)總框圖如下： 10時(shí)鐘信號(hào)經(jīng)過分頻，產(chǎn)生 1信號(hào)，分別送到 1000 進(jìn)制計(jì)數(shù)模塊和動(dòng)態(tài)顯示模塊。經(jīng)過 1000 進(jìn)模塊的信號(hào)生成 1信號(hào)，作為 14 位計(jì)數(shù)器的控制信號(hào)。進(jìn)入動(dòng)態(tài)顯示的 1號(hào)作為動(dòng)態(tài)輸出的時(shí)序信號(hào)。 測(cè)試信號(hào)通過 14 位的計(jì)數(shù)器后，由控制信號(hào)將其轉(zhuǎn)換為輸出顯示的數(shù)據(jù)，再經(jīng)過 14位的鎖存器緩沖再送到動(dòng)態(tài)顯示模塊中。通過動(dòng)態(tài)顯示模塊最終生成顯示信號(hào)。 在這次論文中，將整個(gè)所要設(shè)計(jì)的頻率計(jì)做為頂層，下面有五個(gè)模塊： 1000進(jìn)制計(jì)數(shù)器）、 50頻器）、 4 位鎖存器 )、 4 位計(jì)數(shù)器 )，動(dòng)態(tài)數(shù)碼管顯示（ 每個(gè)模塊都是獨(dú)立的，都能單獨(dú)使用。每個(gè)模塊都是最小的子模塊，就直接用 言來描述。 設(shè)計(jì)的系統(tǒng)頂層電路如 圖所示： 50K 分頻器 1000 進(jìn)制計(jì)數(shù)器 14 位計(jì)數(shù)器 14 位鎖存器 動(dòng)態(tài)數(shù)碼管顯示 1試 信號(hào) 數(shù)據(jù) 顯示數(shù)據(jù) 10示 信號(hào) 電子信息科學(xué)與技術(shù) 2006 級(jí) 1：各個(gè)模塊的實(shí)現(xiàn) 各個(gè)模 的實(shí)現(xiàn)是獨(dú)立的，都 運(yùn) 用 為編程語言 。 1000 進(jìn)制計(jì)數(shù)器 作用：在此次設(shè)計(jì)中，這一模塊用來將輸入信號(hào)的頻率降低為原來的 1/1000，用作分頻器。由總框圖可知，當(dāng) 50時(shí)鐘信號(hào)經(jīng)過分頻后，得到了 1時(shí)鐘信號(hào)，再經(jīng)過此模塊，就得到一個(gè) 1時(shí)鐘信號(hào)。 2成方式： 計(jì)中 定義 三 個(gè)端口（一個(gè)輸入端，一個(gè)輸出端 ， 有用到 ），一個(gè)計(jì)數(shù)變量。當(dāng)輸入端的時(shí)鐘發(fā)生 上升沿跳變時(shí)，計(jì)數(shù)變量自加 1，當(dāng)計(jì)數(shù)達(dá)到 計(jì)算機(jī)信息工程學(xué)院 1000（ 16 進(jìn)制為 3時(shí)候，輸出端就產(chǎn)生一脈沖信號(hào)，作為下一模塊的輸入變量。 圖2代碼的生成圖。 50頻器 作用：由總框圖可以知，這一模塊的作用是將輸入的 50時(shí)鐘信號(hào)轉(zhuǎn)換為 11信號(hào)用于動(dòng)態(tài)顯示模塊的位選 和段選。作為計(jì)數(shù)信號(hào)的時(shí)鐘信號(hào)。 2成方式： 用 程語言寫其代碼，則 設(shè)計(jì)中定義兩個(gè)端口（一個(gè)輸入端，一個(gè)輸出端），一個(gè)計(jì)數(shù)變量。當(dāng)輸入端的時(shí)鐘發(fā)生上升沿跳變時(shí)，計(jì)數(shù)變量自加 1，當(dāng)計(jì)數(shù)達(dá)到 50000（ 16 進(jìn)制為 時(shí)候，輸出端就產(chǎn)生一脈沖信號(hào)，作為下一模塊的輸入變量。 14 位鎖存器（ 作用：在總框圖中， 14 位鎖存器用作顯示數(shù)據(jù)的輸出緩沖。當(dāng)計(jì)數(shù)模塊 送出所計(jì)數(shù)得到的數(shù)值時(shí)，就會(huì)鎖存在鎖存器中。當(dāng)時(shí)鐘信號(hào)到來時(shí)，就會(huì)將鎖存的數(shù)據(jù)送到動(dòng)態(tài)顯示模塊中 顯示出來。所以 14 位的鎖存器是作為一個(gè)數(shù)據(jù)輸出的緩沖器。 生成方式： 使用 件中的鎖存模塊，如下圖所示： 電子信息科學(xué)與技術(shù) 2006 級(jí) 2時(shí)鐘信號(hào)到來時(shí)，輸入端就將數(shù)據(jù) D13.存并輸出為 Q13.直到下一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)的到來，再重復(fù)上一過程。以 編寫代碼，應(yīng)有一個(gè) 14 位的輸入端，一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)輸入端和一個(gè) 14 位的輸出端；當(dāng)時(shí)鐘信號(hào) 發(fā)生變化時(shí)，輸出端就將輸入端此時(shí)輸入的值。 14 位計(jì)數(shù)器（ 作用：這一模塊用來接收被測(cè)信號(hào)， 并轉(zhuǎn)換成被測(cè)信號(hào)的頻率。 如圖（ 6）所示，測(cè)試信號(hào)由模塊的 收 ；當(dāng) 號(hào)為 0 時(shí)，計(jì)數(shù)完成，并將所得的數(shù)據(jù)保持 ，并送到下一個(gè)模塊； 號(hào)為 0，將所有計(jì)數(shù)清零，進(jìn)入下一次計(jì)數(shù)。 生成方式： 使用 件來設(shè)計(jì)，其 模塊 圖如下： 2 寫代碼時(shí)，應(yīng)有三個(gè)輸入端，一個(gè) 13 位的輸出端 和一個(gè)計(jì)數(shù)的變量。 當(dāng)輸入端 生上升沿跳變時(shí)，計(jì)數(shù)變量自加 1，并將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)（將十進(jìn)制的每一位用四位二進(jìn)制數(shù)表示）；當(dāng) 輸入信號(hào)為 0 時(shí)，就將計(jì)數(shù)變量的值輸出 ， 計(jì)算機(jī)信息工程學(xué)院 并將原有的計(jì)數(shù)清零。 數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示（ 作用 與生成方式 ：將緩沖器里的值 轉(zhuǎn)換為動(dòng)態(tài)輸出的數(shù)據(jù)值。 模塊電路 如圖所示： 2用 言時(shí)， 號(hào)則作為時(shí)鐘信號(hào)，內(nèi)設(shè)一變量用來記數(shù) 脈沖數(shù)，作為時(shí)間 延遲； 24 位的輸入端口，用作輸入要顯示的數(shù)據(jù)，此次論文用了輸入端口中的低 13 位； 7 段數(shù)碼管的 7 位輸出端口，用作輸出顯示的數(shù)據(jù)； 6 位的位選輸出端，輸出電子信息科學(xué)與技術(shù) 2006 級(jí) 的 數(shù) 據(jù) 為 位 選 信 息 。 在 程 序 的 內(nèi) 部 設(shè) 有 十 個(gè) 變 量 ， 其 中 六 個(gè) 變 量（ 個(gè)變量四 位，用來接收 24 位的輸入變 量；四位變量 作段選；七位變 作數(shù)據(jù)輸出即 7 段數(shù)碼管的 7 位輸出端口的輸出數(shù)據(jù)；六位變量 作位選信號(hào)是，初始值為 1（ 二進(jìn)制的 000001），每左移一次，選中高一位的數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)發(fā)生溢出時(shí)，對(duì) 次賦值 1（二進(jìn)制的000001） ； 8 位變量 作延時(shí)信號(hào)。 3：各個(gè)模塊的 的仿真 各個(gè)模塊是獨(dú)立的，所以每個(gè)模塊可以單獨(dú)設(shè)計(jì)并驗(yàn)證。 1000 進(jìn)制計(jì)數(shù)器 仿真結(jié)果如圖所示： 3真時(shí)鐘的周期為 40到的輸出端 周期為 40為 1000 進(jìn)制計(jì)數(shù)器的功能就是將輸入信號(hào)的頻率頻率降低為原來的 1/1000，即周期為原來的 1000 倍。所以這一模塊符合要求。 50頻器 仿真結(jié)果如圖所示： 計(jì)算機(jī)信息工程學(xué)院 3真時(shí)鐘周期為 40出端 出為 2因?yàn)檫@一模塊的功能是將輸入信號(hào)的頻率 降低為原來的 1/50000，即周期為原來的 50000 倍。所以這一模塊符合要求。 14 位鎖存器（ 仿真 結(jié)果 如圖所示： 電子信息科學(xué)與技術(shù) 2006 級(jí) 3輸入和輸出對(duì)比可知：輸出的數(shù)據(jù)都是以 輸入的數(shù) 據(jù)在時(shí)鐘跳變的時(shí)候的值。這一模塊的功能就是在發(fā)生時(shí)鐘跳變時(shí)將輸入端的數(shù)據(jù)送到輸出端，當(dāng)時(shí)鐘沒發(fā)生變化時(shí)保持原來的值不變，用做鎖存器。所以這一模塊符合要求。 14 位計(jì)數(shù)器（ 如圖 3示，當(dāng)時(shí)鐘信號(hào)每得到一個(gè)高電平時(shí)， Q13.會(huì)自加 1。但是，在得到的數(shù)據(jù)里，有的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)毛刺；所以在輸出的時(shí)候就加上了一個(gè) 14 位的緩沖級(jí)（ 14位的鎖存器）。因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)時(shí)就已經(jīng)用 Q13.四位二進(jìn)制數(shù)表示一 位十進(jìn)制數(shù)，所以仿真的結(jié)果表明這一模塊符合要求。 計(jì)算機(jī)信息工程學(xué)院 3統(tǒng)頂 層仿真 仿真結(jié)果如圖所示： 31位選信號(hào)，由波形可知， 逐一顯示的。由于測(cè)試的時(shí)間不是很長，所以所測(cè)的值為零。開始輸出的信號(hào)為（ 0000000），即顯示為零。 電子信息科學(xué)與技術(shù) 2006 級(jí) 總結(jié) 經(jīng)過這段時(shí)間的學(xué)習(xí)和寫作， 論文基本完成。從最初的茫然，到慢慢 的進(jìn)入狀態(tài)，再到對(duì)思路逐漸的清晰，整個(gè)寫作過程難以用語言來表達(dá)。 幾個(gè)月的忙碌，卻也沒做成什么；雖然能將電路用 譯成功 并在 但 用 偉福 用實(shí)驗(yàn)開發(fā)系統(tǒng)試過，由于對(duì) 其的使用不是很 了解，最終無法驗(yàn)證所畫電路是 否正確。 計(jì)算機(jī)信息工程學(xué)院 致謝 四年的讀書生活在這個(gè)夏天即將 劃 上一個(gè)句號(hào) ，對(duì)于我的人生這只是一個(gè)逗號(hào)， 我將面對(duì) 人生的另 一次征程。 四年的學(xué)習(xí)生活在老師和同學(xué)的陪伴，父母親人 和朋友 的支持下走了下來，在論文 即將付梓之際，思緒萬千，心情久久不能平靜。 感謝培養(yǎng)教育我的 貴州民族學(xué)院。 誠摯的感謝我的論文指導(dǎo)老師 楊 老師。 他 在忙碌的教學(xué)工作中擠出時(shí)間來審查、修改我的論文。還有教過我的所有老師們，你們嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致、一絲不茍的作風(fēng)一直是我工作、學(xué)習(xí)中的榜樣； 他們循循善誘的教導(dǎo)和不拘一格的思路給予我無盡的啟迪。感謝 四 年中陪伴在我身邊的同學(xué)、朋友，感謝他們?yōu)槲姨岢龅挠幸娴慕ㄗh和意見，有了他們的支持、鼓勵(lì)和幫助，我才能充實(shí)的度過了 四 年的學(xué)習(xí)生活 ， 同窗之間的友誼永遠(yuǎn)長存 ！ 最后再一次感謝所有在畢業(yè)設(shè)計(jì)中曾經(jīng)幫助過我的良師益友和同學(xué)，以及在設(shè)計(jì)中被我引用或參考的論著的作者。 電子信息科學(xué)與技術(shù) 2006 級(jí) 參考文獻(xiàn)： 1夏宇聞 字系統(tǒng)設(shè)計(jì) . 北京航空航天大學(xué)出版社 2王誠 吳繼華 范麗珍 薛寧 薛小剛 計(jì) 3王建校 危建國 計(jì)基礎(chǔ)與實(shí)踐 4楊守良 數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn) 5張兆莉 蔡永泉 王玨 數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn) 6 趙雅興 .