logo资料库

基于FPGA 的数字频率计设计.docx

发布时间：2022-06-14 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：1.61M 资料格式：docx 举报 版权申诉
第1页 / 共49页
第2页 / 共49页
第3页 / 共49页
第4页 / 共49页
第5页 / 共49页
第6页 / 共49页
第7页 / 共49页
第8页 / 共49页
资料共49页，剩余部分请下载后查看
    辽宁工程技术大学毕业设计（论文） 1 绪论 简单来说，数字频率计是在程序代码的控制下来实现对周期性变化的方波信号的频率 的测量。它是一种十进制数字在被译码表示后，在六位七段共阳极数码管上显示被测信号 频率的数字测量仪器。本文设计的数字频率计的基本功能主要是测量 TTL 方波信号，除 此之外，还可以延伸很多的功能。我们在进行数字电路的设计、编程和调试的过程中，数 字频率计的测量相对来说还算迅速，精度也高，显示也更为直观，所以无论是现实生活还 是技术研究都是经常要用到数字频率计的。 因此，它也被广泛应用于电子、测控等领域。 1.1 背景介绍 回顾数字电路技术的发展，数字频率计在研究技术方面一直是不断地变化、更新的。 在我们不知不觉中，数字电路技术和模拟电路技术都在以迅猛的速度发展，数字频率计作 为必不可少的一种数字电路技术当然也是发展的很快的，数字频率计不光在各个领域得到 了广泛的应用，还一直以来保持住了一定的地位。 到后来，微电子技术和计算机技术或者两者结合的应用也开始有了迅速发展的趋势， 并且二者相结合应用的情况居多，在此情况下，各地各领域逐渐开始在可编程逻辑器件的 功能实现上有很大的需求，比如 FPGA（Field Programmable Gate Array）等器件。说道可 编程逻辑器件，我们不难查阅到可编程逻辑器件实际上是以一个很小硅片为载体的，通常 我们是把常用的集成电路以编写程序的方式集成到这个载体上，这就将电路的体积缩小了 不少，也对电路的必要走线进行了缩短，与此同时也降低了其他一些不可避免的因素，例 如温度和仪器的性能等因素会对电路产生一定的干扰，排除或者降低这些干扰就能更加有 效地提高系统的可靠性。现在的我们开始运用在一定的软件上编程的全新方式去设置和构 建所有或部分器件的运行模式和硬件整体结构，这就使得设计者可以更加快速方便地去设 计硬件，完全提升了数字电路系统设计的灵活性。可以预计的是，在越往后的社会中，各 类科学技术会一直不断的发展，那么可编程逻辑器件的功能也久能日益变得更好，同样的， 可编程逻辑器件的集成规模一直在持续扩大，而且也因为一些辅助设计技术的不断提高， 更多的数字电路设计方法也由此而生。 实际上，在电子测量这个领域中，还是有很多其他的重要测量参数的，但是频率这个 参数算是其中最为重要和基本的参数之一了。但在频率测量的时候，我们选择哪个类型的 频率计会影响到最终的测量结果，所以根据实际情况我们要选择不同的频率计去达到我们 的要求。而在实际生活中有很多不同的物理量是不能直接用来处理信号的，比如力或者弹 1
    纪小璐：基于 FPGA 的数字频率计设计 性和湿度，而这些物理量经过相应的传感器总会变为一定的电信号，那么在研究这些电信 号的时候一般是电压电流和频率、功率等，所以频率计也就自然而然在各种领域有了用途。 频率计的优化正在更加智能化地前进，尤其是数字频率计也成为了人们在日常生活中、 科学领域中极其重要的测量仪器。从我们日常生活中使用的数字万用表等电子设，再到更 大领域的数字卫星等领域内都包含有频率计，甚至可以说，数字频率计将成为未来频率测 量仪器的主要发展方向。由此可见，数字频率计的发展代表的不仅仅是一个小的电子产品 的发展，更是整个国家在科学技术领域和综合国力、整体实力方面的发展，本文的设计就 是在了解了上述背景后才确定的方向，并展开相应的研究工作。 1.2 国内研究情况及发展趋势 从目前查阅资料的情况来看，我国国内的频率计的质量水平相比于国外很多拥有先进 技术的国家来说，已经有很大的进步和改善了，而在数字电子设计这个领域我国的发展也 不甘示弱，不断地追赶着国外一些国家的进度，并且已经经受住了多年的考验。从我国现 阶段来看目前国内南京函数信号发生器 EE1631B，带数字电压表和数字频率计。作为频率 计它可以测 0.2Hz 到 20MHz 的频率，输出幅度为 10Vp-p 或者 20Vp-p，可同时显示输出 幅度（3 位 LED）和输出频率（5 位 LED），采用电子开关，功能齐全，具有直流电平调 节功能、CMOS 输出幅度可调，具有多种输出方式，不光可以做数字频率计还可以做函数 信号发生器等优点和特点。 如今，在数字电路技术越来越占重要地位的今天，频率的测量仍然是电子领域内的重 点，当然也是难点。正因为频率在多个领域内是不可省略的参数，所以可以毫不夸张地说， 任何地方都需要应用数字频率计，所以我们才需要去设计低误差以及性能可靠的数字频率 计，可见数字频率计在数字电子技术的发展过程中占据着不可小觑的地位。现在的我们要 求数字频率计尽量要达到高精度、低误差、自动进行的目的，但是为了适应更多的场地， 在达到基本需求的前提下，我们还需要向体积更小、性价比更高和功能更加全面的方向去 发展。在我们设计数字频率计的过程中，最终的测量精度的高低，主要取决于两个方面， 最主要的一方面需要我们去改进外部的测量设备，另一方面就是需要我们去提高内部的测 量。当下，在国内外测量频率的方式也有很多种，最主要的方法我们会在后文中做一个简 单的介绍。 简而言之，我国正在加快改进测量频率技术的脚步。无论是设计者与研究人员正在创 造新的测频原理，还是众人研究新的测量方法以及设计新的数字频率计，目的都是能够进 2
    辽宁工程技术大学毕业设计（论文） 一步提高频率计的测量精度，降低偏差，并且可以节省精力，对测量出来的数据能够进行 自动化处理。 1.3 本文研究内容 本文主要是实现最基本的数字频率计的功能，要求能够测量一定范围的频率，尽量做 到可以实现精度高，范围广等功能。通过比较分析计数频率的各种方法，选出一钟适合在 FPGA 开发板上可以实行的方法，对其进行分析编程来驱动开发板，用开发板的主要芯片 来实现技术及其显示功能，使得最终让数码管可以动态显示测量出来的频率值，最终和输 入的实际频率值作比较，计算绝对误差和精度，做出误差出现的原因分析，尽量想出一定 的改善方法去改进已经做出来的数字频率计，但是由于开发板不需要去焊板子，所以主要 是对于程序的学习编写和对于软件的操作，还有部分硬件电路的学习和了解，最后是对仿 真程序和顶层程序的学习和编写。 3
    纪小璐：基于 FPGA 的数字频率计设计 2 数字频率计测量原理 2.1 常用的频率测量方法 在本次设计过程中，我们要设计一个数字频率计，要求可以测量范围可以尽量广，测 量精度可以尽量高，误差尽量小。在本文的设计中测量范围可以从 10Hz 到 10MHz，测量 分辨率为 10Hz,输入阻抗不小于 100 K ,测量误差为 1 ，最小精度为 1Hz，最后用六位数 码管显示。 2.1.1 直读测频法 该法的特点是根据频率的性质来判断频率的大小，包括的几种方法有频率一电压转换 法、谐振法和电桥法，其中电桥法是直读测频法的最常用的一种方法，而直读法测量的基 本原理如图所示： 图 2-1 直读测测频原理 Figure 2-1 the principle of direct reading and measuring frequency 2.1.2 脉冲计数测频法 在我们研究数字化的频率计的时候，测量频率最频繁使用的方法就是脉冲计数法了， 该法的特点是计算基准闸门时间内被测信号的周期个数，计数时产生的误差和选择的基准 时间的精度是影响该法精度的两大重要因素。本论文在测量频率的研究中就采用了脉冲计 数法。 2.2 基于脉冲计数测频的方法 2.2.1 周期测频法 周期测频法一般也被称为 T 法，它的测量原理时是以脉冲计数法为基础，将一个周期 脉冲信号设定为一个较大频率的基准信号，然后使其与我们将要测的频率同步，基准信号 作为周期性的时间闸门信号，在这个闸门时间 T 内记录被测频率的周期个数。如果我们用 N 来表示计数个数的话，那么我们可根据下式来计算此法得到的测量频率的周期和频率： 4
    辽宁工程技术大学毕业设计（论文） Tx  0Nt f x  f c N （2-1） （2-2） 被测信号的频率为: 2.2.2 频率测量法 在这里我们称测频法又为直接测频法，注意区分前文所提到的只读测频法，此法亦称 称 M 法。此法的计数原理也是以脉冲计数法为基础的，但是在选择这种测量方法时，我 们更多的是选择频率值较小的频率信号作为基准闸门信号，紧接着输入被测信号，然后将 闸门时长 T 确定，在 T 时长内记录经过的脉冲信号的数目。如果我们假定用 N 来代表计 数数值的话，那我们可以通过式（2-3）来得到我们被测的频率值。  N T （2-3） 因此，根据上述内容可知:在测量频率较大的信号时，使用直接测频法可以得到比较好的 结果[1]。而我们在本次设计中就采用这种方式，原理图如下： f x  1 T N 图 2-2 测量频率原理图 Figure 2-2 principle diagram of frequency measurement 2.3 本文频率计设计 考虑到实际所用的开发板和硬件描述语言，本文是用到了直接测频法，以开发板的晶 振频率 50Hz 进行分频，分频为 1Hz 的频率作为基准闸门信号，通过外界输入一定的方波， 系统通过检测在闸门信号内通过了多少次上升沿和下降沿，计算出通过的脉冲个数，从而 显示出被测信号的频率的值是多少，最初单位设置为 Hz。在此我们给出本文整体的设计 的模块框架。 5
    纪小璐：基于 FPGA 的数字频率计设计 图 2-3 数字频率计模块划分 Figure 2-3 module division of digital frequency meter 图 2-4 系统架构图 Figure 2-4 system architecture diagram 除了基本的频率测量方法，我们用到的最主要的部分就是 AD 转换了，在本文 AD 转 换模块中，因为开发板上有 TLC549CP 芯片，所以我们用此芯片来实现模数转换功能。在 实现 AD 转换的过程中，我们知道输入的是模拟信号，而这种信号的特点就是在时间上是 连续的，我们又知道最终转换完在数据输出端输出的数字信号是离散的，所以这个转换过 程转换必须要求在一系列被选定的时间段内完成对模拟信号的抽样过程，抽样结束后再把 这些取样值量化编码为输出的数字量。因此可以总结为这样一个过程：首先对输入的模拟 的电压或者电流信号进行取样，取样完毕后暂时保持，在保持的这个时间段内芯片可以将 电量转换为数字量，并且会按照一定的编码形式给出最后的转换结果，结束后再开始下一 次取样。一个完整的模数转换过程必定会经历抽样、量化和编码三个步骤。 由于在文中我们测量的是数字量，而输入的是模拟量，所以在此我们给出了所用到的 AD 转换芯片的具体的转换原理。片选端/CS 为低电平有效，只有在它有效的情况 6
    辽宁工程技术大学毕业设计（论文） 下， TLC549 芯片才会被选中工作，同时上次转换结果的最高有效位自 数据输出 端输出， 接着要求自 I/O CLOCK 端输入 8 个外部时钟信号，前 7 个 I/O CLOCK 信号的作用，是配 合 TLC549 输出上次转换结果的低七位，顺便为本次的转换开始做准备工作，在第 4 个 I/O CLOCK 信号被检测到上升沿的时候，片内取样电路对输入得模拟量开始取样，等 第 8 个 I/O CLOCK 信号的下降沿到来之后，会使片内取样电路进入保持状态并开始 A/D 转换，转换时间为 36 个系统时钟周期。 在此我们要知道 AD 转换的方式还包括双积分型 转换、逐次渐进型转换和并联型转换三种方式，在此我们就不一一介绍了，而需要说明的 是我们所用到的芯片 TLC549 是采用开关电容逐次逼近原理工作的 8 位串行 A/D7 芯片。 在上文设计的框图中我们可以看出最后有个译码模块，此模块我们还应用到了一个 BCD（Binary-Coded Decimal）码的译码原理，即用 4 位二进制数来表示 1 位十进制数的 0 到 9 这 10 个数码[2]。 2.4 本章小结 本章主要介绍了几种常见的频率测试方法，有直读测频法，比较测频法，周期测频法 和直接测频法。通过对比其应用场合和实际情况的分析，最终选择了直接测频法，并对测 量方法做了一定的描述。并给了读者本文用到的模块的一个整体的设计和划分，使阅读者 对本文的设计一目了然。除此之外，我们对主要用到的原理做了一个简单的阐述。 7
    纪小璐：基于 FPGA 的数字频率计设计 3 基于 FPGA 的数字频率计的设计 3.1 FPGA 技术 3.1.1 EDA 技术及设计方法 EDA（Electronics Design AutomaTIon）技术是以计算机为工作平台，以硬件描述语言 为设计语言，以可编程器件为实验载体，以 ASIC(Application Specific Integrated Circuits)、 SOC(System On Chip)和 SOPC(System On Programmable Chip)芯片为目标器件去进行对必 要元器件的建模和系统仿真电子产品自动化设计过程。 EDA 技术又称电子设计自动化技术，它不仅在发展速度上有较快的优势，而就所包 含的内容来说，也是非常广泛的。EDA 技术发展迅猛，可以用日新月异来形容。从 20 世 纪 70 年代以来，在计算机技术和微电子技术的推动下，EDA 技术水平不断提高，使其应 用越来越广泛，现在已涉及各行各业[3]。 EDA 技术所涉及的方面很广泛，所包含的内容也比较丰富，站在实用的角度看，所 学者应主要掌握以下 4 个方面内容：一是硬件描述语言；二是大规模可编程逻辑器件；三 是实验开发系统；四是软件开发工具。其中，硬件描述语言是我们利用 EDA 技术来进行 数字电路或者其他电子电路设计的主要表达手段，而大规模的可编程逻辑器件是在电子系 统的设计中 EDA 技术的设计载体，实验开发系统则是作为一种 EDA 技术的下载工具或者 是硬件验证工具，除了硬件方面，在软件方面来看软件开发工具则是一种有关 EDA 技术 的智能化自动设计工具[4]。 3.1.2 FPGA 技术及设计方法 我们现在所熟知的现场可编程门阵列 FPGA（Field Programmable Gate Array）实际上 是美国的一家知名公司最先开发的一种可编程器件，一般更多的应用于普通用户。因为 FPGA 这种技术不仅仅具有一般普通门阵列器件的优势，即高集成度和通用性，还有一般 门阵列不具备的特点，即用户的可编程的灵活性。 该芯片可被用于开发出多种可编程逻辑元件，比较出名的有 FPGA 系列。此产品由 Xilinx 公司和 Altera 公司开发研制而成。这种产品的技术优越性在于灵活的逻辑单元和高 集成度，可用于多种电子设备，在实际设计生产过程中同样比 ASIC 系列器件更能节约经 济成本且质量可靠性更高，现已被大范围推广使用[5]。 FPGA 和其他类型的可编程 ASIC 一样，用户可以去自己编程来实现自己想要的专门 8
    分享到：
    赞 收藏

    相关推荐

    资料库

    开发技术

    共收录19306份资料，累计14个分类，关注成员有19位，主要包括：Actionscript,Javascript,PHP,VB,Perl,Delphi,Python,C#,C,Java,C++,Web开发,硬件开发,其它

    热门标签

    Actionscript Javascript PHP VB Perl Delphi Python C# C Java C++ Web开发 硬件开发 其它

    最新资料