数字频率计的设计实验

数字频率计的设计

一、 实验目的
1、了解等精度测频的方法和原理。
2、掌握如何在FPGA内部设计多种功能模块。
3、掌握VHDL在测量模块设计方面的技巧。
二、 实验原理
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（也称闸门时间）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
f＝N/T
由上面的表示式可以看到，若时间间隔T取1s，则f＝N。由于闸门的起始和结束的时刻对于信号来说是随机的，将会有一个脉冲周期的量化误差。进一步分析测量准确度：设待测信号脉冲周期为Tx，频率为Fx，当测量时间为T=1s时，测量准确度为δ=Tx/T=1/Fx。由此可知这种直接测频法的测量准确度与被测信号的频率有关，当待测信号频率较高时，测量准确度也较高，反之测量准确度较低。因此，这种直接测频法只适合测量频率较高的信号，不能满足在整个测量频段内的测量精度保持不变的要求。若要得到在整个测量频段内的测量精度保持不变的要求，应该考虑待精度频率测量等其它方法。
等精度频率测频的实现方法，可以用图4-19-1所示的框图来实现。

                  图4-19-1    等精度测频实现框图
所谓等精度是指该频率计在所测量的整个频段内部，均可实现相同精度的测量，即测量精度与频率无关。图中预置门信号通常为1s。其内部包括一个同步门电路，用来实现被测频标与被测频率的同步，提高测量精度，减少基本误差。该部分与清零脉冲协调工作用来控制两个计数器的启动脉冲。计数器1和计数器2分别用来给频标和被测数字脉冲计数，设在同步门控制结束时计数器1计数N1，计数器2计数N2，假设频标频率为F1，被测频率位Fx，则可写出公式：
                   Fx/N2=F1/N1；…………………（1）
                   Fx＝（F1/N1）* N2……………（2）
由公式可以看出，测量精度与预置门时间无关，主要由F1的频率稳定度来确定，所以为了提高测量精度，主要是提高频标的频率稳定度，换句话说，测量精度基本上近似于频标的稳定度，若频标的稳定度位10^－6，则测量误差边可达到10^－6。在该电路中，为了确保频标计数与被测频率完全同步（即被测频率的上升沿开始计数，1s以后，被测频率的下跳沿停止计数），同步门必须由被测信号来控制，设计方法多种多样，可由学生独立完成。
本实验采用直接测频法进行频率测量。闸门时间固定为1s，闸门信号是一个0.5Hz的方波，在闸门有效（高电平）期间，对输入的脉冲进行计数，在闸门信号的下降沿时刻，所存当前的计数值，并且清零所有的频率计数器。由于闸门时间是1s（0.5Hz方波），所以显示的频率是1s钟更新一次，且显示的内容是闸门下降沿时锁存的值。
因为闸门时间我们设定为1s，所以这种频率计仅能测出频率大于或者等于1Hz的情况，且频率越高，精度也越高。实际应用中，频率计的闸门时间是个可变量，当频率小于1Hz是，闸门时间就要适当放大。采用一个标准的时钟，在单位时间内如：0.1秒对被测信号的脉冲进行计数，即为信号的频率。
在设计频率计的时候，八个七段码管最多可以显示99,999,999Hz，因此在设计时候用八个4位二进制码（BCD码）来表示，另外还必须有同样的八个4位二进制码来对输入的频率进行计数，在闸门下降沿的时候，将后者的值锁存到寄存器中。其信号的时序关系如下图4-19-2所示：

图4-19-2 控制信号时序关系
三、 实验内容
本实验要完成的任务就是设计一个频率计，系统时钟选择24MHZ的时钟，闸门时间为1s（通过对系统时钟进行分频得到），在闸门为高电平期间，对输入的频率进行计数，当闸门变低的时候，记录当前的频率值，并将频率计数器清零，频率的显示每过2秒刷新一次。其实现框图如下图4-19-3所示：

图4-19-3 测频实现框图

四、 实验步骤
1、打开QUARTUSII软件，新建一个工程。
2、建完工程之后，再新建一个VHDL File，打开VHDL编辑器对话框。
3、按照实验原理和自己的想法，在VHDL编辑窗口编写VHDL程序，用户可参照光盘中提供的示例程序。示例程序共提供6个VHDL源程序。每一个源程序完成一定的功能。其具体的功能如下表4-19-1：

文件名称

完成功能

CLKOUT.VHD

产生1HZ的闸门信号和显示扫描信号

TELTCL.VHD

在时钟的作用下生成测频的控制信号。

CNT10.VHD

十进制计数器。在实验中使用8个来进行计数

SEG32B.VHD

32位的锁存器，在锁存控制信号的作用下，将计数的值锁存

DISPLAY.VHDL

显示译码，将锁存的数据显示出来。

表4-19-1   示例程序功能表
4、编写完VHDL程序后，保存起来。方法同实验一。
5、将自己编写的VHDL程序进行编译并生成模块符号文件，并对程序的错误进行修改，最终所有程序通过编译并生成模块符号文件。其具体方法请参照实验六。
6、新建一个图形编辑文件，将已生成的模块符号文件放入其中，并根据要求边接起来。
7、将自己编辑好的的程序进行编译仿真，并对程序的错误进行修改，最终通过编译。
8、编译仿真无误后，根据用户自己的要求进行管脚分配。分配完成后，再进行全编译一次，以使管脚分配生效。
9、根据实验内容用实验导线将上面管脚分配的FPGA管脚与对应的模块连接起来。
如果是调用的本书提供的VHDL代码，则实验连线如下：
CLK：FPGA时钟，接数字时钟CLOCK1，并将其设为24MHZ。
CLKIN:被测频率输入信号，可以接时钟源的其它时钟。
LEDAG[6..0]：接数码管的A、B、C、D、E、F、G。
      SEL[2..0]：接数码管的SEL2、SEL1、SEL0。
10、用下载电缆通过JTAG口将对应的sof文件加载到FPGA中。观察实验结果是否与自己的编程思想一致。
五、   实验结果与现象
以设计的参考示例为例，当设计文件加载到目标器件后，从被测频率输入端口输入一个时钟信号，这时在数码管上显示这个时钟信号的频率值。。改变数字信号源的时钟，看显示的值是否与标值一致。
六、   实验报告
1、绘出仿真波形，并作说明。
2、根据前面介绍的等精度频率计的实现方法，写出等精度频率计的VHDL代码。
3、将实验原理、设计过程、编译仿真波形和分析结果、硬件测试结果记录下来。