【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 需數(shù)個(gè)小時(shí)時(shí)間，其中設(shè)計(jì)的編輯時(shí)間往往僅需數(shù)分鐘。用于可在一個(gè)工作日內(nèi)完成實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)項(xiàng)目的多次修改，直至最終設(shè)計(jì)定型。Max+plusII 支持的設(shè)計(jì)輸入方式主要有 4 種：圖形輸入（gdf 文件）、AHDL 語(yǔ)言（ Altera 公司自定義的 HDL）、VerilogHDL 以及 VHDL。還有其他常用的 EDA 工具產(chǎn)生的輸入文件，如 EDIF 文件；Floorplan 編輯器（低層編輯程序），可方便進(jìn)行管腳鎖定，邏輯單元分配；層次化設(shè)計(jì)管理；LPM（可調(diào)參數(shù)模塊）。Max+plusII 支持的設(shè)計(jì)校驗(yàn)：時(shí)序分析、功能仿真、時(shí)序仿真、波形分析/模擬器、生成一些標(biāo)準(zhǔn)文件為其他 EDA 工具使用。長(zhǎng)春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)7 Max+PlusⅡ的設(shè)計(jì)過程Max+PlusⅡ軟件設(shè)計(jì)的流程應(yīng)包括 5 個(gè)部分。 設(shè)計(jì)輸入 功能仿真設(shè)計(jì)修改編程校驗(yàn)項(xiàng)目編譯 驗(yàn)證功能 圖 21 設(shè)計(jì)流程圖設(shè)計(jì)輸入：可以采用原理圖輸入、HDL 語(yǔ)言描述、EDIF 網(wǎng)表讀入及波形輸入等方式。功能仿真：此時(shí)為零延時(shí)模式，主要為檢驗(yàn)輸入是否有誤。項(xiàng)目編譯：主要完成器件的選擇及配置，邏輯的綜合及器件的裝入，延時(shí)信息的提取。驗(yàn)證仿真：將編譯產(chǎn)生的延時(shí)信息加入到設(shè)計(jì)中，進(jìn)行布局后的仿真，是與實(shí)際器件工作時(shí)情況基本相同的仿真。編程校驗(yàn)：用驗(yàn)證仿真確認(rèn)的配置文件經(jīng) EPROM 或編程電纜配置可編程器件，加入實(shí)際激勵(lì)，進(jìn)行測(cè)試，以檢查是否完成預(yù)定功能。以上各步如果出現(xiàn)錯(cuò)誤的現(xiàn)象，則需重新回到設(shè)計(jì)輸入階段，改正錯(cuò)誤輸入或調(diào)整電路后重復(fù)上述過程。 長(zhǎng)春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)8第 3 章 頻率計(jì)的設(shè)計(jì)原理及方案 頻率計(jì)的設(shè)計(jì)原理傳統(tǒng)的數(shù)字電子系統(tǒng)或 IC 設(shè)計(jì)中，手工設(shè)計(jì)占了較大的比例。一般先按電子系統(tǒng)的具體功能要求進(jìn)行功能劃分，然后對(duì)每個(gè)子模塊畫出真值表，用卡諾圖進(jìn)行手工邏輯簡(jiǎn)化，寫出布爾表達(dá)式，畫出相應(yīng)的邏輯線路圖，再據(jù)此選擇元器件，設(shè)計(jì)電路板，最后進(jìn)行實(shí)測(cè)與調(diào)試。傳統(tǒng)的手工設(shè)計(jì)發(fā)展而來的自底向上的設(shè)計(jì)方法，在進(jìn)行手式電路設(shè)計(jì)時(shí)，一個(gè)硬件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過程是從選擇具體的元器件開始的。這些傳統(tǒng)數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要基于標(biāo)準(zhǔn)邏輯器件，如TIL 系列、CMOS 系列，采用“bottom→up”（自底向上）的方法構(gòu)成系統(tǒng)。這種“試湊法”設(shè)計(jì)無固定套路可尋，主要憑借設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)，所設(shè)計(jì)的數(shù)字系統(tǒng)雖然不乏構(gòu)思巧妙者，但往往要用很多標(biāo)準(zhǔn)器件。隨著集成電路發(fā)展，自底向上的設(shè)計(jì)方法已逐步被現(xiàn)代的自頂向下的設(shè)計(jì)方法所取代。所謂自頂向下的設(shè)計(jì)，就是設(shè)計(jì)者首先從整體上規(guī)劃整個(gè)系統(tǒng)的功能和性能，然后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行劃分，分解為規(guī)模較小、功能較為簡(jiǎn)單的局部模塊，并確立它們之間的相互關(guān)系，這種劃分過程可以不斷地進(jìn)行下去，直到劃分得到的單元可以映射到物理實(shí)現(xiàn)。自頂向下的設(shè)計(jì)方法流程圖如下：用系統(tǒng)行為描述一個(gè)包含輸入輸出的頂層模塊 ， 同時(shí)完成整個(gè)系統(tǒng)的模擬與性能分析將系統(tǒng)劃分為各個(gè)功能模塊 ， 每個(gè)模塊由更細(xì)化的行為描述表達(dá)由 C P L D 綜合工具完成工藝的映射圖31 自頂向下的設(shè)計(jì)方法流程圖頻率計(jì)是能夠測(cè)量和顯示信號(hào)頻率的電路。所謂頻率，就是周期性信號(hào)在單位時(shí)間（1 s）內(nèi)變化的次數(shù)。數(shù)字頻率計(jì)是直接用十進(jìn)制數(shù)字來顯示被測(cè)信號(hào)頻率的一種測(cè)量裝置。常用的測(cè)頻方法有兩種，一種是測(cè)周期法，一種是測(cè)頻率法。測(cè)周期法需要有基準(zhǔn)時(shí)鐘頻率 Fs，在待測(cè)信號(hào)一個(gè)周期 Tx 內(nèi)，記錄基準(zhǔn)系統(tǒng)時(shí)鐘頻率的周期數(shù)Ns，則被測(cè)頻率可表示為：長(zhǎng)春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)9 （31）NsFx?測(cè)頻率法就是在一定時(shí)間間隔 Tw（該時(shí)間定義為閘門時(shí)間）內(nèi)，測(cè)得這個(gè)周期性信號(hào)的重復(fù)交換次數(shù)為 Nx，則其頻率可表示為： （32）TwxF?這兩種方法的計(jì)數(shù)值會(huì)產(chǎn)生正負(fù)一個(gè)字的誤差，并且被測(cè)精度與計(jì)數(shù)器中記錄的數(shù)值Nx有關(guān)，為保證測(cè)試精度，一般對(duì)于低頻信號(hào)采用測(cè)周期法，對(duì)于高頻信號(hào)采用測(cè)頻率法。 直接測(cè)頻法原理直接測(cè)頻法是在給定的閘門時(shí)間內(nèi)，通過測(cè)量一定時(shí)間內(nèi)通過的周期信號(hào)進(jìn)行重復(fù)計(jì)數(shù)，再利用一定的轉(zhuǎn)換方法計(jì)算出被測(cè)信號(hào)的頻率。被測(cè)信號(hào)的頻率和閘門時(shí)間的設(shè)置都會(huì)對(duì)測(cè)量精度有影響。直接測(cè)頻法控制波形圖如下：TN閘門信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)被測(cè)信號(hào)圖 32 直接測(cè)頻法時(shí)序控制波形圖直接測(cè)頻法的一般思路是：在精確規(guī)定計(jì)數(shù)允許周期 T 內(nèi)，計(jì)數(shù)器對(duì)被測(cè)信號(hào)的周期（脈沖）數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)允許周期 T 的長(zhǎng)度決定了被測(cè)信號(hào)頻率的范圍。較長(zhǎng)的計(jì)數(shù)允許周期 T 對(duì)低頻信號(hào)而言有利于改善測(cè)量精度，但對(duì)于高頻信號(hào)來說，則會(huì)產(chǎn)生溢出；較短的計(jì)數(shù)允許周期 T 對(duì)低頻信號(hào)的測(cè)量，雖然精度降低，但能測(cè)量的最大頻率較高，且不會(huì)溢出。因此本設(shè)計(jì)為提高測(cè)頻精度，加入 4 個(gè)量程檔位。1 檔為 0Hz～9999Hz ， 2 檔為 10Hz～，3檔為 100Hz～ ， 4 檔為 1000Hz～, 并且具有超量程提示功能，在超出目前量程檔次時(shí)報(bào)警。 等精度測(cè)頻法原理等精度測(cè)頻法是在計(jì)數(shù)器測(cè)頻法的基礎(chǔ)上發(fā)展來的，頻率為 fx 的被測(cè)信號(hào)經(jīng)過通道濾波、放大、整形后輸入到同步門控制電路和閘門 1，晶體振蕩器的輸出信號(hào)作為標(biāo)準(zhǔn)輸入到閘門 ，產(chǎn)生一個(gè)與被測(cè)信號(hào)同步的閘門信號(hào)。在同步門打開時(shí)通過同步門分別輸入到事件計(jì)數(shù)器和時(shí)間計(jì)數(shù)器的信號(hào)輸入端，計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)。同步門關(guān)閉時(shí)信號(hào)不能通過主長(zhǎng)春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)10門，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，單片機(jī)發(fā)出命令讀入計(jì)數(shù)器的數(shù)值，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將處理后的結(jié)果送顯示。圖 33 等精度測(cè)頻法時(shí)序控制波形圖此種測(cè)頻可獲得較高的測(cè)量精度，測(cè)頻范圍是 0Hz～40MHz，測(cè)頻范圍廣。并且具有超量程報(bào)警功能。 頻率計(jì)的設(shè)計(jì)方案本設(shè)計(jì)的核心部件是CPLD芯片，所有信號(hào)包括基準(zhǔn)頻率信號(hào)，被測(cè)信號(hào)均送到CPLD芯片中。 基于直接測(cè)頻法的設(shè)計(jì)方案基于直接測(cè)頻法設(shè)計(jì)的系統(tǒng)包含以下模塊：分頻器模塊、閘門定時(shí)信號(hào)模塊、測(cè)頻控制信號(hào)發(fā)生器模塊、4 個(gè)有時(shí)鐘使能的十進(jìn)制計(jì)數(shù)器模塊、4 個(gè)鎖存器模塊、顯示模塊。被測(cè)信號(hào)放大整形計(jì)數(shù)器有源晶振B Y G Y E D A 試驗(yàn)箱4 M H z分頻器閘門定時(shí)信號(hào)控制器測(cè)頻控制信號(hào)發(fā)生器鎖存器顯示模塊共陰極 L E D 數(shù)碼管報(bào)警設(shè)備電源部分C P L D 芯片圖34 采用直接測(cè)頻法的數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì)長(zhǎng)春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)11頻率測(cè)量的基本原理是計(jì)算每秒鐘內(nèi)待測(cè)信號(hào)的脈沖個(gè)數(shù)。測(cè)頻的過程是將試驗(yàn)箱上的 4MHz 的頻率經(jīng)分頻器變成 1KHz 的時(shí)鐘信號(hào)，再經(jīng)過閘門定時(shí)信號(hào)控制器再分頻，得到 4 種不同的閘門控制信號(hào)，分別是1Hz、10Hz、100Hz、1000Hz 四種，從而可以測(cè)出 0～ 內(nèi)的高頻、低頻信號(hào)。并且具有超量程提示功能，在超出目前量程檔次時(shí)報(bào)警。以產(chǎn)生 1Hz 的閘門信號(hào)為例，經(jīng)過測(cè)頻控制信號(hào)發(fā)生器，計(jì)數(shù)使能信號(hào)能產(chǎn)生一個(gè) 1 s 脈寬的周期信號(hào)，并對(duì)頻率計(jì)的每一個(gè)計(jì)數(shù)器的使能端進(jìn)行同步控制。當(dāng)使能信號(hào)為高電平時(shí)允許計(jì)數(shù)，為低電平時(shí)停止計(jì)數(shù)，并保持其所計(jì)脈沖個(gè)數(shù)。在停止計(jì)數(shù)期間，首先需要一個(gè)鎖存信號(hào)的上跳沿將計(jì)數(shù)器在前 1 s 的計(jì)數(shù)值鎖存進(jìn)數(shù)據(jù)鎖存器中，并由外部的 7 段譯碼器譯出，并穩(wěn)定顯示。鎖存信號(hào)之后，必須有一個(gè)清零信號(hào)對(duì)計(jì)數(shù)器進(jìn)行清零，為下 1 s 的技術(shù)操作做準(zhǔn)備。其中控制信號(hào)頻率始終為 1 Hz ，那么使能信號(hào)的脈寬正好為 1 S，可以用作技術(shù)閘門信號(hào)。然后根據(jù)測(cè)頻的時(shí)序要求，可得出邏輯信號(hào)和清零信號(hào)的邏輯描述。計(jì)數(shù)完成后，利用技術(shù)使能信號(hào)反向值的上跳沿產(chǎn)生一個(gè)鎖存信號(hào)。 s 后，清零信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)清零信號(hào)上跳沿。計(jì)數(shù)器的特殊之處是，有一時(shí)鐘使能輸入端 ena，用于鎖存計(jì)數(shù)值。當(dāng)高電平時(shí)計(jì)數(shù)允許，低電平時(shí)計(jì)數(shù)禁止。鎖存器的設(shè)計(jì)要求為若已有 4 位 B C D 碼存于此模塊的輸入口，在鎖存信號(hào)的上跳沿后即被鎖存到寄存器內(nèi)部，并由寄存器的輸出端輸出，然后有實(shí)驗(yàn)箱上7 段譯碼器譯成能在數(shù)碼管上顯示輸出的相應(yīng)數(shù)值。具體各模塊的作用是：分頻器模塊：將試驗(yàn)箱上的 4MHz 的時(shí)鐘信號(hào)變成 1KHz 的信號(hào)。閘門定時(shí)信號(hào)模塊：將輸入的 1KHz，產(chǎn)生 4 種不同的閘門信號(hào)，為控制信號(hào)發(fā)生器提供 4 種不同的頻率信號(hào)：1KH、100Hz、10Hz、1Hz。測(cè)頻控制信號(hào)發(fā)生器模塊：每次測(cè)量時(shí)，用由時(shí)基標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)產(chǎn)生的閘門信號(hào)啟動(dòng)計(jì)數(shù)器，對(duì)輸入脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)，閘門信號(hào)結(jié)束即將計(jì)數(shù)結(jié)果送入鎖存器，然后計(jì)數(shù)器清零，準(zhǔn)備下一次計(jì)數(shù)。十進(jìn)制計(jì)數(shù)器模塊：從測(cè)頻原理的介紹中可以看出，測(cè)頻的本質(zhì)就是計(jì)數(shù)，所以計(jì)數(shù)器也是系統(tǒng)中不可或缺的模塊。鎖存器模塊：鎖存計(jì)數(shù)器數(shù)值。其好處是使顯示數(shù)據(jù)穩(wěn)定，不會(huì)由于周期性的清零信號(hào)而不斷閃爍。鎖存器的位數(shù)跟計(jì)數(shù)器的位數(shù)一致。顯示模塊：控制共陰極數(shù)碼管顯示、輸出。 基于等精度測(cè)頻法的設(shè)計(jì)方案基于等精度測(cè)頻法設(shè)計(jì)的測(cè)頻系統(tǒng)包括以下模塊：校正模塊、D 觸發(fā)器模塊、分頻器模塊、四位除法器模塊、兩個(gè)十進(jìn)制計(jì)數(shù)器模塊、乘法器模塊、高、低位轉(zhuǎn)換模塊、顯示模塊。長(zhǎng)春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)12放大整形有源晶振B Y G Y E D A 試驗(yàn)箱4 M H z分頻器校正模塊C N T 1 0 2C N T 1 0 1D 觸發(fā)器除法器乘法器高低位轉(zhuǎn)換模塊顯示模塊共陰極L E D 數(shù)碼管報(bào)警設(shè)備報(bào)警設(shè)備電源部分C P L D 芯片圖35 采用等精度測(cè)頻法的數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì)頻率測(cè)量的原理是：設(shè) CNT101 和 CNT102 是兩個(gè)可控十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)從 CNT101 的時(shí)鐘輸入端 CLK 輸入，其頻率為 Fs，被測(cè)頻率信號(hào)從 CNT102 的時(shí)鐘輸入端 CLK 輸入，其頻率為 Fx。當(dāng)預(yù)置門控信號(hào)為高電平時(shí)，被測(cè)信號(hào)的上升沿通過觸發(fā)器 D 的 Q 端同時(shí)啟動(dòng)計(jì)數(shù)器 CNT101 和CNT102。CNT101 和 CNT102 分別對(duì)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào) Fs 和被測(cè)信號(hào) Fx 同時(shí)計(jì)數(shù)。當(dāng)預(yù)置門信號(hào)為低電平時(shí)，隨后而至的被測(cè)信號(hào)的上升沿將使兩個(gè)計(jì)數(shù)器同時(shí)關(guān)閉。設(shè)在一次預(yù)置門電路 T 內(nèi)對(duì)被測(cè)信號(hào)計(jì)數(shù)為 Nx，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)計(jì)數(shù)為Ns，則下式成立： （3NsFx?3）由此推得： （3sx*?4）若所測(cè)頻率為 Fx，其真實(shí)值 Fxe，標(biāo)準(zhǔn)頻率為 Fs，一次測(cè)量中，由于 Fx計(jì)數(shù)的起停都是由該信號(hào)的上跳沿觸發(fā)的，因此在 T 內(nèi)對(duì) Fx 的計(jì)數(shù) Nx 無誤差，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 （35NsFx?） （36ets??）長(zhǎng)春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)13可分別推得 （37NsFx?） （38xets*??）根據(jù)相對(duì)誤差公式有 （3Fxe???9）經(jīng)整理得到 （310Nsetx??）因△et≤1，故 ≤1/N，即Net? （3NFxe1??11） （3sT*?12）據(jù)以上分析，可知等精度測(cè)頻法具有以下三個(gè)特點(diǎn)：相對(duì)測(cè)量誤差與被測(cè)頻率高低無關(guān)；增大T或F可以增大N，減少測(cè)量誤差，提高測(cè)量精度；測(cè)量精度與預(yù)置門寬度和標(biāo)準(zhǔn)頻率有關(guān)，與被測(cè)信號(hào)的頻率無關(guān)，在預(yù)置門和常規(guī)測(cè)頻閥門時(shí)間相同而被測(cè)信號(hào)頻率不同的情況下，等精度測(cè)量法的測(cè)量精度不變。具體的各模塊的作用是：校正模塊：當(dāng)輸入被測(cè)信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的頻率就會(huì)在數(shù)碼管上顯示出來，可以更加有效的驗(yàn)證頻率計(jì)設(shè)計(jì)的可靠性。當(dāng)輸入非標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)時(shí)，可進(jìn)行正常的頻率測(cè)量。分頻器模塊：可將標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)分成任意所需的合適的信號(hào)，來進(jìn)行適當(dāng)?shù)臏y(cè)量。D觸發(fā)器：利用D觸發(fā)器來進(jìn)行適當(dāng)?shù)拈l門信號(hào)控制。計(jì)數(shù)器模塊：對(duì)被測(cè)信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)來進(jìn)行計(jì)數(shù)控制。除法器模塊：對(duì)計(jì)數(shù)器值進(jìn)行除法計(jì)算。乘法器模塊：對(duì)除法器的計(jì)算值與標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)值進(jìn)行乘法計(jì)算，即得被測(cè)信長(zhǎng)春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)14號(hào)值。