【文章內(nèi)容簡介】 大 學(xué) 畢 業(yè) 論 文 （設(shè) 計） 14 第三章 等精度頻率計的系統(tǒng)設(shè)計與功能仿真 系統(tǒng)的總體設(shè)計 首先對 EP2C8Q208C8N 開發(fā)板提供的 50MHZ 的晶振進行預(yù)分頻，獲得 10MHZ 的信號， 再把 10MHZ 的信號在分頻模塊產(chǎn)生不同頻率的方波，通過按鍵控制被測信號的頻率變化。由控制模塊產(chǎn)生的計數(shù)使能信號 testen 和清零信號 clr 對計數(shù)模塊進行控制，而由其產(chǎn)生的鎖存信號 load 對鎖存模塊進行控制，為了達到等精度的要求， testen， load， clr 信號分別通過 D 觸發(fā)器與被測信號整合再 輸入相應(yīng)端口。一旦計數(shù)使能信號為高電平，并且時鐘上升沿到來，計數(shù)器便開始正常計數(shù)，清零信號到來則將計數(shù)器計數(shù)清零，而當(dāng)鎖存信號為高電平時，數(shù)據(jù)便被鎖存器鎖存，然后將鎖存的數(shù)據(jù)輸出到顯示模塊和周期模塊進行運算，數(shù)據(jù)鎖存保證系統(tǒng)可以穩(wěn)定顯示數(shù)據(jù)，顯示譯碼部分將二進制表示的計數(shù)結(jié)果通過 B_BCD 轉(zhuǎn)換成 8421BCD 在數(shù)碼顯示管上顯示十進制結(jié)果。通過按鍵控制在數(shù)碼顯示管上可以看到相應(yīng)的頻率和周期。 數(shù)字頻率計的原理框圖如圖 所示。主要由 6 個 部分 組成，分別是：信號源模塊、控 制模塊、計數(shù)模塊、 鎖存器模塊、周期模塊和顯示器模塊 。 圖 數(shù)字頻率計的原理框圖 根據(jù)數(shù)字頻率計的系統(tǒng)原理， t 為控制信號發(fā)生器。 testctl的計數(shù)使能信號 testen 能產(chǎn)生一個 1 s 寬的周期信號，并通過 D 觸發(fā)器后對頻率計的每一計數(shù)器 Cnt10 的 ENA 使能端進行同步控制：當(dāng) testen 高電平時允許計數(shù)、低電平時停止計數(shù)。 大 學(xué) 畢 業(yè) 論 文 （設(shè) 計） 15 周期模塊為一個 32 位除法器 division，與 B_BCD 相連將除法器的二進制結(jié)果轉(zhuǎn)化成8421BCD 碼。 reg32b 為鎖存器。在信號 load 的上升沿時，立即對模塊的輸入口的數(shù)據(jù)鎖存到 reg32b的內(nèi)部，并由 reg32b 的輸出端輸出，然后七段譯碼器可以譯碼輸出。使用鎖存器的優(yōu)點是可以穩(wěn)定顯示數(shù)據(jù)，不會由于周期性的清零信號而不斷閃爍。 Cnt10 為十進制計數(shù)器。有一時鐘使能輸入端 ENA，用于鎖定計數(shù)值。當(dāng)高電平時允許計數(shù)，低電平時禁止計數(shù)。將八個十進制計數(shù)器 Cnt10 級聯(lián)起來實現(xiàn) 8 位十進制計數(shù)功能 [2， 7] 。 display 為數(shù)碼管顯示驅(qū)動，可以將頻率計數(shù)的結(jié)果和周期的計算結(jié)果在數(shù)碼管上顯示的相對應(yīng)的阿拉伯?dāng)?shù)字，便于讀取測量的結(jié)果。 為了實現(xiàn)系統(tǒng)功能，測頻控制信號發(fā)生器 testctl、 計數(shù)器 Cnt鎖存器 reg32b 存在一個工作時序的問題，設(shè)計時需要綜合考慮。 8 位數(shù)字頻率計的頂層框圖如圖 。 圖 等精度頻率計頂層圖形 大 學(xué) 畢 業(yè) 論 文 （設(shè) 計） 16 設(shè)計實現(xiàn)包括信號源模塊（ fep10， t1hz， fep）、頻率計模塊、周期模塊（ division、B_BCD）和顯示模塊（ smg）四大模塊。除此之外，在本設(shè)計中還加入了按鍵功能：分別用兩個獨立按鍵控制信號源模塊的待測信號頻率的加減，另一個獨立按鍵控制數(shù)碼管顯示頻率 /周期。下面分別介紹四個模塊的結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)方法。 信號源模塊 信號源模塊主要包括：分頻模塊 fep10， t1hz， fep 三個功能模塊。 fep10 功能為產(chǎn)生10MHZ 的時鐘， t1hz 為產(chǎn)生 1hz 的時鐘， fep 由按鍵控制輸出頻率的加減。 信號源模塊組成如圖 所示。 圖 信號源模塊 預(yù)分頻 fep10 的封裝圖如 所示，圖中 CLKIN 為接入的 50MHZ 信號，圖中 CLKOUT 為接到 CNT1hz 的 CLK 的 10MHZ 的信號。 大 學(xué) 畢 業(yè) 論 文 （設(shè) 計） 17 圖 預(yù)分頻 10MHZ 將 50MHZ 的系統(tǒng)時鐘產(chǎn)生 10MHz 的門控信號和待測的定頻信號，而對輸入系統(tǒng)時鐘 clk（ 50MHz）進行分頻的模塊，設(shè)計源代碼 對輸入系統(tǒng)時鐘 clk（ 50MHz）進行 5 分頻產(chǎn)生 10MHz 信號。 fep10 的工作時序仿真圖如圖 所示。 圖 fep10 功能仿真 從 fep10 的工作時序仿真圖可以看出：由系統(tǒng)時鐘提供的 50MHz 的輸入信號，經(jīng)過信號源模塊，通過 5 分頻產(chǎn)生 10MHZ 的時鐘信號，達到了設(shè)計所需的預(yù)期效果。 分頻模塊 CNT1HZ, FEP 的封裝圖如圖 ，圖中 CLK 為 fep10 輸出的 10MHZ 信號， freq1 為輸出給控制信號發(fā)生器的 1HZ 信號， feping 作為待測信號。 大 學(xué) 畢 業(yè) 論 文 （設(shè) 計） 18 圖 t1hz， fep 封裝圖 Fep 功能為將 10MHZ 的輸入頻率分別進行 21 分頻 (產(chǎn)生 5mHZ 的輸出頻 freq5m)、 22分頻 (產(chǎn)生 2500KHZ 的輸出頻 freq2500k)、 23 分頻 (產(chǎn)生 1250KHZ 的輸出頻率 freq1250k)、24 分頻 (產(chǎn)生 625000HZ 的輸出頻 freq625000)、 25 分頻 (產(chǎn)生 312500HZ 的輸出頻freq312500)、 26 分頻 (產(chǎn)生 156250HZ 的輸出頻 freq156250)、 27 分頻 (產(chǎn)生 78125HZ 的輸出頻率 freq78125)、 28 分頻 (產(chǎn)生 39063HZ 的輸出頻 freq39063)、 29 分頻 (產(chǎn)生 19531HZ 的輸出頻率 freq19531)、 210 分頻 (產(chǎn)生 9767HZ 的輸出頻 freq9767)、 211 分頻 (產(chǎn)生 4882HZ 的輸出頻率 freq4882)、 212 分頻 (產(chǎn)生 2441HZ 的輸出頻 freq2441)、 213 分頻 (產(chǎn)生 1220HZ 的輸出頻率 freq1220)、 214 分頻 (產(chǎn)生 610HZ 的輸出頻率 freq610)、 215 分頻 (產(chǎn)生 305HZ 的輸出頻率 freq305)、 216 分頻 (產(chǎn)生 153HZ 的輸出頻率 freq153)、 217 分頻 (產(chǎn)生 76HZ 的輸出頻率freq76)、 218 分頻 (產(chǎn)生 38HZ 的輸出頻率 freq38)、 219 分頻 (產(chǎn)生 19HZ 的輸出頻率 freq19) 、220 分頻 (產(chǎn)生 10HZ 的輸出頻率 freq10)。 Cnt1hz 將輸入的 10MHZ 進行 223 分頻 (產(chǎn)生 1HZ 的輸出頻率 freq1)，輸出 1hz 的信號，用于控制信號發(fā)生器的時鐘輸入。 分頻模塊時序仿真如圖 所示。 圖 分頻模塊功能仿真 大 學(xué) 畢 業(yè) 論 文 （設(shè) 計） 19 在分頻模塊的仿真中，當(dāng) up , down 值為 0 時， fep 的輸出端 feping 輸出的信號為輸入的 10MHZ。在本次實驗中 up， down 由兩個獨立按鍵控制，中間變量 num 初始值為 0， up為高電平時， num 值加一； down 為高電平時， num 值減一。當(dāng) num=0 時， feping 輸出頻率為 10MHZ。 num 增加，依次輸出既定頻率的信號。 按鍵控制模塊 本實驗中通過兩個獨立按鍵控制信號源待測頻率的加減，一個獨立按鍵控制周期和頻率的顯示。 封裝圖如 所示。 圖 按鍵模塊 當(dāng)按下按鍵 key1 時，信號源模塊輸出信號 feping 的頻率遞增；當(dāng)按下按鍵 key2 時，信 號源輸出信號 feping 頻率遞減。 Key3 控制數(shù)據(jù)選擇器 mux_num，系統(tǒng)開始工作，數(shù)碼管顯示器上沒有數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)按下 key3 則顯示頻率，再按下 key3 顯示周期，如此交替變換。 按鍵開關(guān)是各種電子設(shè)備不可或缺的人機接口。在實際應(yīng)用中，很大一部分的按鍵是機械按鍵。在機械按鍵的觸點閉合和斷開時，都會產(chǎn)生抖動，為了保證系統(tǒng)能正確識別按鍵的開關(guān)，就必須對按鍵的抖動進行處理。 在系統(tǒng)設(shè)計中，有各種各樣的消除按鍵抖動的設(shè)計方法，硬件電路和軟件設(shè)計都很成熟。按鍵在按下時會產(chǎn)生抖動，釋放時也會產(chǎn)生抖動，抖動時間一般為 20ms 左右。 按鍵消抖是為了避免在按鍵按下或是抬起時電平劇烈抖動帶來的影響。一般來說，按鍵消抖的方法是不斷檢測按鍵值，直到按鍵值穩(wěn)定。實現(xiàn)方法：假設(shè)未按鍵時輸入 1，按鍵后輸入為 0，抖動時不定。可以做以下檢測：檢測到按鍵輸入為 0 之后，延時 20ms，再 大 學(xué) 畢 業(yè) 論 文 （設(shè) 計） 20 次檢測，如果按鍵還為 0，那么就認為有按鍵輸入。延時的 20ms 恰好避開了抖動期。 按鍵消抖能使最終的顯示結(jié)果更穩(wěn)定。 測頻控制信號模塊 測頻控制產(chǎn)生器 testctl， D 觸發(fā)器如圖 所示。圖中 CLK 接 CNT 的 FREQ1 的 1HZ的信號， TSTEN 為計數(shù)允許 信號，接計數(shù)器 CNT10 的 ENA， CLR_CNT 信號用于在每次測量開始時，對計數(shù)器進行復(fù)位，接計數(shù)器 CNT10 的 CLR， LOAD 接鎖存器的 LOAD。 圖 測頻控制產(chǎn)生器 testctl， D 觸發(fā)器 控制模塊的作用是產(chǎn)生測頻所需要的各種控制信號?？刂菩盘柕臉?biāo)準輸入時鐘為 1HZ,每兩個時 鐘周期 進行 一次頻 率測量 。該模 塊產(chǎn)生 的 3 個 控制 信號， 分別為TSTEN,LOAD,CLR_CNT。 CLR_CNT 信號用于在每次測量開始時，對計數(shù)器進行復(fù)位，以清除上次測量的結(jié)果，該復(fù)位信號高電平有效，持續(xù)半個時鐘周期的時間。 TSTEN 為計數(shù)允許信號，在 TSTEN 信號的上升沿時刻計數(shù)模塊開始對輸入信號的頻率進行測量，測量時間恰為一個時鐘周期 (正好為單位時間 1s)，在此時間里被測信號的脈沖數(shù)進行計數(shù)，即為信號的頻率。然后將值鎖存，并送到數(shù)碼管顯示出來。設(shè)置鎖存器的好處是使顯示的數(shù)據(jù)穩(wěn)定，不會由于周期性的清零信號而不斷閃爍。在每一次測量開始時， 都必須重新對計數(shù)器清 0。 由于本次設(shè)計的重點是等精度頻率計的實現(xiàn)，在等精度原理介紹的時候有強調(diào)過等精度的關(guān)鍵是：門控信號不是一個固定的值，而是與被測信號相關(guān)的，恰好是被測信號的整 大 學(xué) 畢 業(yè) 論 文 （設(shè) 計） 21 數(shù)倍。所以在設(shè)計的過程中加入了 D 觸發(fā)器，把測頻控制信號產(chǎn)生器 testctl 的輸出信號clr_t， load， tsten 分別通過 D 觸發(fā)器再分別與計數(shù)器，鎖存器相連。確保本設(shè)計的頻率計是等精度頻率計。 測頻控制信號發(fā)生器 TESTCTL 的工作時序圖，控制模塊的幾個控制信號的時序關(guān)系圖如圖 所示。 圖 TESTCTL， D 觸發(fā)器的時序仿真圖 從圖中可看出，計數(shù)使能信號 TSTEN 在 1s 的高電平后，利用其反相值的上升沿產(chǎn)生一個鎖存信號 LOAD,隨后產(chǎn)生清 0 信號上升沿 CLR_CNT。其中，控制信號時鐘 clk 的頻率取 1HZ，而信號 TSTEN 的脈寬恰好為 1s，可以用作閘門信號。此時，根據(jù)測頻的時序要求，可得出信號 LOAD 和 CLR_CNT 的邏輯描述。由圖可知，在計數(shù)完成后，計數(shù)使能信號 TETEN 在 1s 的高電平后，利用其反相值的上升沿產(chǎn)生一個鎖存信號 LOAD， 后，CLR_CNT 產(chǎn)生一個清零信號上升沿。 鎖存器 鎖存器 REG32B 的封裝如圖 ，圖中 LOAD 接控制測頻產(chǎn)生器 TESTCTL 的 LOAD，而 DIN[31..0]接計數(shù)器 CNT10 的 CQ[3..0]， DOUT[31..0]接顯示器 smg 的 in 端。 圖 鎖存器 REG32B 大 學(xué) 畢 業(yè) 論 文 （設(shè) 計） 22 鎖存器模塊是本設(shè)計中必不可少的，測量模塊測量完成后，在 load 信號的上升沿時刻將測量值鎖存到寄存器中，然后輸出到顯示模塊。鎖存器的作用是數(shù)據(jù)保持，它將會把數(shù)據(jù)保存到下次觸發(fā)或復(fù)位，主要是主從觸發(fā)器組成的。用于存儲數(shù)據(jù)來進行交換，使數(shù)據(jù)穩(wěn)定下來保持一段時間不變化，直到新的數(shù)據(jù)將其替換。 32 位鎖存器 REG32B 的工作時序圖如圖 。 圖 鎖存器 REG32B 仿真 本程序是用來實現(xiàn)鎖存器模塊的功能，在鎖存信號 load 的上升沿到來時，鎖存器將測量值鎖存到寄存器，然后輸出到選擇模塊和周期模塊。但從仿真圖 中可以明顯的看出，鎖存輸出并不是立即進行的，而是經(jīng)歷了一個短暫的延時，這是由于硬件引起的。 計數(shù)器模塊 CNT10的封裝如圖 ，其中 CLR為復(fù)位接 TESTCTL的通過 D觸發(fā)器后的 CLR_CNT端， ENA 接 TESTCTL 通過 D 觸發(fā)器后的 TSTEN 端， CQ[3..0]接鎖存器的 DOUT[31..0]端。 圖 CNT10 封裝圖 大 學(xué) 畢 業(yè) 論 文 （設(shè) 計） 23 計數(shù)器模塊是由 8 個帶有異步清零端，進位信號輸出的模為 10 的計數(shù)模塊級連而成。此十進制計數(shù)器的特殊之處是，有一時鐘使能輸入端 ENA，用于控制計數(shù)器的工作。高電