【正文】 1 第一章 緒論 隨著基于 P LD 的 EDA 技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的擴大與深入，EDA 技術(shù)在電子信息、通信、自動控制及計算機應(yīng)用等領(lǐng)域的重要性日益突出。 EDA 技術(shù)使得設(shè)計者的工作僅限于利用軟件的方式就可以完成對系統(tǒng)硬件功能的實現(xiàn)。而等精度的頻率計設(shè)計正是利用了EDA 技術(shù)的這一優(yōu)越性。 EDA 技術(shù) 現(xiàn) 代 電 子 設(shè) 計 技 術(shù) 的 核 心 是 EDA （ Electronic Design Automation）技術(shù)。 EDA 技術(shù)就是依賴功能強大的計算機，在 EDA工具軟件平臺上，對以硬件描述語言 HDL(Hardware Design Language)為系統(tǒng)邏輯描述手段完成的設(shè)計文件 ,并自動地完成邏輯編譯、邏輯化簡、邏輯分割、邏輯綜合、結(jié)構(gòu)綜合（布局布線），以及邏輯優(yōu)化和仿真測試，直至實現(xiàn)既定的電子線路系統(tǒng)功能。 EDA 技術(shù)使得設(shè)計者的工作僅限于軟件的方式，即利用硬件描述語言和 EDA 軟件來完成對系統(tǒng)硬件功能的實現(xiàn)。 EDA 技術(shù)在硬件實現(xiàn)方面融合了大規(guī)模集成電路制造技術(shù)、 IC版圖設(shè)計技術(shù)、 AS IC 測試和封裝技術(shù)、 FP GA/CP LD 編程下載技術(shù)、自動測試技術(shù)等；在計算機輔助工程方面融合了計算機輔助設(shè)計（ C AD）、計算機輔助制造（ C AM）、計算機輔 助測試（ C AT）、計算機輔助工程（ C AE）技術(shù)譯介多種計算機語言的設(shè)計概念；而在現(xiàn)代電子學(xué)方面則容納了更多的內(nèi)容，如電子線路設(shè)計理論、數(shù)字信號處理技術(shù)、數(shù)字系統(tǒng)建設(shè)模和優(yōu)化技術(shù)及長線技術(shù)理論等。因此 EDA技術(shù)為現(xiàn)代電子理論和設(shè)計的表達與實現(xiàn)提供了可能性。 在 現(xiàn)代 化 技術(shù)的所有領(lǐng)域種， 得以 飛速發(fā)展的科學(xué)技術(shù)多為計算機輔助設(shè)計，而非自動化設(shè)計。顯然，最早進入設(shè)計自動化的技術(shù)領(lǐng)域之一是電子技術(shù) ， 這就是為什么電子技術(shù)始終處于所有科學(xué)技術(shù)發(fā)展最前列的原因 2 之一。不難理解， EDA 技術(shù)已不是某一學(xué)科的分支，或某種新的技能技術(shù)， 它應(yīng)該是一門綜合性學(xué)科。它 融合 多學(xué)科于一體，又滲透于各學(xué)科之中， 打破 了軟件和硬件簡的壁壘，使計算機的軟件技術(shù)于硬件實現(xiàn)、設(shè)計效率和產(chǎn)品性能合二為一，它代表了電子設(shè)計技術(shù)合應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展方向。 頻率測量方法概述 對于頻率測量所提出的要求，取決于所測頻率范圍和測量任務(wù)。主要有直讀法、比較法、計數(shù)法。直讀法又稱利用無源網(wǎng)絡(luò)頻率特性測頻法，它包含有電橋法和諧振法。比較法是將被測頻率信號與已知頻率信號相比較，通過觀、聽比較結(jié)果，獲得被測信號的頻率。屬比較法的有：拍頻法、差頻法、示波法。 計數(shù)法又電容充電式和 電子計數(shù)式兩種。前者是利用電子電路控制電容器充放電的次數(shù)，再用磁電式儀表測量充、放電電流的大小，從而指示出被測信號的頻率值。后者是根據(jù)頻率的定義進行測量的一種方法，他是用電子計數(shù)器顯示單位時間內(nèi)通過被測信號的周期個數(shù)來實現(xiàn)頻率的測量。 常用的直接測頻方法主要有測頻法和測周期法兩種。測頻法就是在確定的閘門時間 Tw 內(nèi)，記錄被測信號的變化周期數(shù)（或脈沖個數(shù)）Nx，則被測信號的頻率為： fx=Nx/Tw。測周期法需要有標準信號的頻率 fs，在待測信號的一個周期 Tx 內(nèi)，記錄標準頻率的周期數(shù) Ns，則被測信號的頻率為： fx=fs/Ns。這兩種方法的計數(shù)值會產(chǎn)生 177。1 個字誤差，并且測試精度與計數(shù)器中記錄的數(shù)值 Nx 或 Ns 有關(guān)。為了保證測試精度，一般對于低頻信號采用測周期法；對于高頻信號采用測頻法，因此測試時很不方便，所以人門提出等精度測頻方法。 3 本系統(tǒng)目的和任務(wù) a)、課題總體目的 熟悉 FPGA 器件的結(jié)構(gòu)及工作原理 掌握電路硬件描述方法（原理圖描述、 VHDL 語言描述） 熟悉數(shù)字頻率計的功能特點及工作原理。 學(xué)會利用 EDA 開發(fā)軟件及裝置實現(xiàn)電路設(shè)計、編程、仿真及下載。 b)、等精度頻率計的設(shè)計要求功能 基 于傳統(tǒng)測頻原理的頻率計的測量精度將隨被測信號頻率的下降而降低，即測量精度隨被測信號的頻率的變化而變化，在實用中有較大的局限性，而等精度頻率計不但具有較高的測量精度，且在整個頻率區(qū)域能保持恒定的測試精度。 在此完成的設(shè)計項目可達到的指標為： 1．頻率測量 a． 測量范圍 信號：方波、正弦波；幅度： ～ 5V；頻率： ～ 10MHz b．測量誤差≤ % 2．脈沖寬度測量 a．測量范圍 信號：脈沖波；幅度： ～ 5V；脈沖寬度 1μ s — 1s b．測量精度≤ s 3．測量并顯示 周期脈沖信號（幅度 ～ 5V、頻率 1Hz～ 1kHz）的占空比， 占空比變化范圍為 10%～ 90%，測量誤差≤ 1%。 4．顯示器 十進制數(shù)字顯示，顯示刷新時間為 5秒的輪流顯示或固定顯示，可轉(zhuǎn)換。 5. 具有自校功能，時標信號頻率為 1MHz。 6. 自行設(shè)計滿足本設(shè)計任務(wù)要求的穩(wěn)壓電源。 7. 在以上測量范圍以及測量誤差條件下，進行小信號的頻率測量，提出并實 現(xiàn)抗干擾的措施。 4 第二章 設(shè)計工具 和 器件介紹 VHDL 及匯編語言簡介 VHDL 簡介 VHDL的英文全名是 VeryHighSpeed Integrated Circuit HardwareDescription Language,誕生于 1982年。 1987年底， VHDL被IEEE和美國國防部確認為標準硬件描述語言 。自 IEEE公布了 VHDL的標準版本， IEEE1076（簡稱 87版 )之后，各 EDA公司相繼推出了自己的 VHDL設(shè)計環(huán)境，或宣布自己的設(shè)計工具可以和 VHDL接口。此后 VHDL在電子設(shè)計領(lǐng)域得到了廣泛的接受，并逐步取代了原有的非標準的硬件描述語言。 1993年， IEEE對 VHDL進行了修訂，從更高的抽象層次和系統(tǒng) 描述能力上擴展 VHDL的內(nèi)容，公布了新版本的 VHDL，即 IEEE標準的 10761993版本，（簡稱 93版）?，F(xiàn)在， VHDL和 Verilog作為 IEEE的工業(yè)標準硬件描述語言，又得到眾多 EDA公司的支持，在電子工程領(lǐng)域，已成為事實上的通用硬件描述語言。有專家認為，在新的世紀中， VHDL于 Verilog語言將承擔起大部分的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計任務(wù)。 Very－ high－ speed integrated Hardware Description Language (VHDL) ? 是 IEEE、工業(yè)標準硬件描述語言 ? 用語言的方式而非圖形等方式描述硬件電路 ,容易修改 ,容易保存 ? 特別適合于設(shè)計的電路有：復(fù)雜組合邏輯電路，如： 譯碼器、編碼器、加減法器、多路選擇器、地址譯碼器 ?... 狀態(tài)機等等 ??.. VHDL 主要用于描述數(shù)字系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，行為，功能和接口。除了含有許多具有硬件特征的語句外， VHDL 的語言形式和描述風格與句法是十分類似于一般的計算機高級語言。 VHDL 的程序結(jié)構(gòu)特點是將一項工程設(shè)計，或稱設(shè)計實體（可以是一個元件，一個電路模塊或一個系統(tǒng)）分成外部（或稱可是部分 ,及端口 )和內(nèi)部（或稱不可視部分），既涉及實體的內(nèi)部功 能和算法完成部分。在對一個設(shè)計實體 5 定義了外部界面后，一旦其內(nèi)部開發(fā)完成后，其他的設(shè)計就可以直接調(diào)用這個實體。這種將設(shè)計實體分成內(nèi)外部分的概念是 VHDL 系統(tǒng)設(shè)計的基本點。應(yīng)用 VHDL 進行工程設(shè)計的優(yōu)點是多方面的。 （ 1）與其他的硬件描述語言相比， VHDL 具有更強的行為描述能力，從而決定了 它 成為系統(tǒng)設(shè)計領(lǐng)域最佳的硬件描述語言。強大的行為描述能力是避開具體的器件結(jié)構(gòu)，從邏輯行為上描述和設(shè)計大規(guī)模電子系統(tǒng)的重要保證。 （ 2） VHDL 豐富的仿真語句和庫函數(shù)，使得在任何大系統(tǒng)的設(shè)計早期就能查驗設(shè)計系統(tǒng)的功能可行性，隨時 可對設(shè)計進行仿真模擬。 （ 3） VHDL 語句的行為描述能力和程序結(jié)構(gòu)決定了 它 具有支持大規(guī)模設(shè)計的分解和已有設(shè)計的再利用功能。符合市場需求的大規(guī)模系統(tǒng)高效， 高速的完成必須有多人甚至多個代發(fā)組共同并行工作才能實現(xiàn)。（ 4）對于用 VHDL 完成的一個確定的設(shè)計，可以利用 EDA 工具進行邏輯綜合和優(yōu)化，并自動的把 VHDL 描述設(shè)計轉(zhuǎn)變成門級網(wǎng)表。 （ 5） VHDL 對設(shè)計的描述具有相對獨立性，設(shè)計者可以不懂硬件的結(jié)構(gòu)，也不必管理最終設(shè)計實現(xiàn)的目標器件是什么，而進行獨立的設(shè)計。 匯編語言簡介 編語言 (Assembly Language)是面向機器的程序設(shè)計語言。 在匯編語合中，用助記符 (Memoni )代替操作碼，用地址符號 (S ymbol)或標號 (Label)代替地址媽。這樣用符號代替機器語盲的二進制碼，就把機器語音變成了匯編語言。于是匯編語言亦稱為符號語言。 使用匯編語言編寫的程序，機器個能直接識別，要由一種程序?qū)R編語言翻譯成機器語言，這種起翻譯作用的程序叫匯編程序，匯編程序是系統(tǒng)軟件中語言處理系統(tǒng)軟件。匯編語言把匯編程序翻譯成機器語言的過程稱為 f 匯編。 6 匯編語言比機器語言易于讀寫、易于調(diào)試和修改，同時 也具有機器語言執(zhí)行速度快，占內(nèi)存空間少等優(yōu)點，但在編寫復(fù)雜程序時具有明顯的局限性，匯編語言依賴于具體的機型，不能通用，也不能在不同機型之間移植。 匯編語言的實質(zhì)和機器語言是相同的，都是直接對硬件操作，只不過指令采用了英文縮寫的標識符，更容易識別和記憶。它同樣需要編程者將每一步具體的操作用命令的形式寫出來。匯編程序通常由三部分組成：指令、偽指令和宏指令。匯編程序的每一句指令只能對應(yīng)實際操作過程中的一個很細微的動作，例如移動、自增，因此匯編源程序一般比較冗長、復(fù)雜、容易出錯，而且使用匯編語言編程需要有更多的計算 機專業(yè)知識，但匯編語言的優(yōu)點也是顯而易見的，用匯編語言所能完成的操作不是一般高級語言所能實現(xiàn)的，而且源程序經(jīng)匯編生成的可執(zhí)行文件不僅比較小，而且執(zhí)行速度很快。 目前匯編語言被大量應(yīng)用于 設(shè)備控制、加密破解、開發(fā)單片機產(chǎn)品 .對計算機性能的優(yōu)化等 。 FPGA 器件 簡介 本裝置采用 Altera 公司的 FLEX 10K10 LC84－ 4 型芯片為測頻部分核心器件。 FLEX10K 主要由嵌入式陣列塊、邏輯陣列塊、快速通道（ EastTrack）和 I/O 單元四部分組成。其中邏輯陣列塊由多個邏輯單元構(gòu)成。 其引腳圖如下 圖 所示 ： 7 I/O21I/O20I/O22I/O23I/O24I / O 3 8I / O 3 7I / O 3 6I / O 3 5I / O 3 4I / O 3 3n T RSTI / O 3 2I / O 1 9I / O 1 8I / O 1 7I / O 1 6I / O 1 5I / O 1 4I / O 1 3 VCC I NTDEV_OEDEV_CLRnGCLCK1IN1IN4T M ST DOT DII/O6/DATA1I/O5/DATA2I/O4/DATA3I/O3/DATA4I/O2/DATA5I/O1/DATA6I/O0/DATA7I / O 4 5 / CL KUSRTCKI/O47/CSI/O46/nCSI/O49/nRSI/O48/nWSnCEOCONF_DONEn ST AT U SM SE L 1M SE L 0DAT A0DC L Kn C EI / O 7I / O 8I / O 9I / O 1 0I / O 1 1I / O 1 2nCONFIGIN2GCLK2IN3GNDINTI/O25I/O26I/O27I/O28I/O29I/O30I/O31I / O 3 9I / O 4 0I / O 4 1G ND I NTI N I T _ DO NEI / O 4 2 / RD Y n BS YI / O 4 3I / O 4 4GNDINTVCCINTVCCINTGNDINTVCCINTVCCINTG ND I NTVCC I NTAL T ER A頂面圖EP F 1 0 K10 L C 8 4FL EX8 4 P I N PLC C 封裝74737271706968676665646362616059585756555453525