【文章內(nèi)容簡介】 大 學(xué) 畢 業(yè) 論 文 （設(shè) 計(jì)） 14 第三章 等精度頻率計(jì)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與功能仿真 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) 首先對 EP2C8Q208C8N 開發(fā)板提供的 50MHZ 的晶振進(jìn)行預(yù)分頻，獲得 10MHZ 的信號(hào)， 再把 10MHZ 的信號(hào)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(hào)的頻率變化。由控制模塊產(chǎn)生的計(jì)數(shù)使能信號(hào) testen 和清零信號(hào) clr 對計(jì)數(shù)模塊進(jìn)行控制，而由其產(chǎn)生的鎖存信號(hào) load 對鎖存模塊進(jìn)行控制，為了達(dá)到等精度的要求， testen， load， clr 信號(hào)分別通過 D 觸發(fā)器與被測信號(hào)整合再 輸入相應(yīng)端口。一旦計(jì)數(shù)使能信號(hào)為高電平，并且時(shí)鐘上升沿到來，計(jì)數(shù)器便開始正常計(jì)數(shù)，清零信號(hào)到來則將計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)清零，而當(dāng)鎖存信號(hào)為高電平時(shí)，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(jìn)行運(yùn)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(jìn)制表示的計(jì)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(jìn)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(jì)的原理框圖如圖 所示。主要由 6 個(gè) 部分 組成，分別是：信號(hào)源模塊、控 制模塊、計(jì)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(jì)的原理框圖 根據(jù)數(shù)字頻率計(jì)的系統(tǒng)原理， t 為控制信號(hào)發(fā)生器。 testctl的計(jì)數(shù)使能信號(hào) testen 能產(chǎn)生一個(gè) 1 s 寬的周期信號(hào)，并通過 D 觸發(fā)器后對頻率計(jì)的每一計(jì)數(shù)器 Cnt10 的 ENA 使能端進(jìn)行同步控制：當(dāng) testen 高電平時(shí)允許計(jì)數(shù)、低電平時(shí)停止計(jì)數(shù)。 大 學(xué) 畢 業(yè) 論 文 （設(shè) 計(jì)） 15 周期模塊為一個(gè) 32 位除法器 division，與 B_BCD 相連將除法器的二進(jìn)制結(jié)果轉(zhuǎn)化成8421BCD 碼。 reg32b 為鎖存器。在信號(hào) load 的上升沿時(shí)，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(diǎn)是可以穩(wěn)定顯示數(shù)據(jù)，不會(huì)由于周期性的清零信號(hào)而不斷閃爍。 Cnt10 為十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。有一時(shí)鐘使能輸入端 ENA，用于鎖定計(jì)數(shù)值。當(dāng)高電平時(shí)允許計(jì)數(shù)，低電平時(shí)禁止計(jì)數(shù)。將八個(gè)十進(jìn)制計(jì)數(shù)器 Cnt10 級聯(lián)起來實(shí)現(xiàn) 8 位十進(jìn)制計(jì)數(shù)功能 [2， 7] 。 display 為數(shù)碼管顯示驅(qū)動(dòng)，可以將頻率計(jì)數(shù)的結(jié)果和周期的計(jì)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，測頻控制信號(hào)發(fā)生器 testctl、 計(jì)數(shù)器 Cnt鎖存器 reg32b 存在一個(gè)工作時(shí)序的問題，設(shè)計(jì)時(shí)需要綜合考慮。 8 位數(shù)字頻率計(jì)的頂層框圖如圖 。 圖 等精度頻率計(jì)頂層圖形 大 學(xué) 畢 業(yè) 論 文 （設(shè) 計(jì)） 16 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)包括信號(hào)源模塊（ fep10， t1hz， fep）、頻率計(jì)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(jì)中還加入了按鍵功能：分別用兩個(gè)獨(dú)立按鍵控制信號(hào)源模塊的待測信號(hào)頻率的加減，另一個(gè)獨(dú)立按鍵控制數(shù)碼管顯示頻率 /周期。下面分別介紹四個(gè)模塊的結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)方法。 信號(hào)源模塊 信號(hào)源模塊主要包括：分頻模塊 fep10， t1hz， fep 三個(gè)功能模塊。 fep10 功能為產(chǎn)生10MHZ 的時(shí)鐘， t1hz 為產(chǎn)生 1hz 的時(shí)鐘， fep 由按鍵控制輸出頻率的加減。 信號(hào)源模塊組成如圖 所示。 圖 信號(hào)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(hào)，圖中 CLKOUT 為接到 CNT1hz 的 CLK 的 10MHZ 的信號(hào)。 大 學(xué) 畢 業(yè) 論 文 （設(shè) 計(jì)） 17 圖 預(yù)分頻 10MHZ 將 50MHZ 的系統(tǒng)時(shí)鐘產(chǎn)生 10MHz 的門控信號(hào)和待測的定頻信號(hào)，而對輸入系統(tǒng)時(shí)鐘 clk（ 50MHz）進(jìn)行分頻的模塊，設(shè)計(jì)源代碼 對輸入系統(tǒng)時(shí)鐘 clk（ 50MHz）進(jìn)行 5 分頻產(chǎn)生 10MHz 信號(hào)。 fep10 的工作時(shí)序仿真圖如圖 所示。 圖 fep10 功能仿真 從 fep10 的工作時(shí)序仿真圖可以看出：由系統(tǒng)時(shí)鐘提供的 50MHz 的輸入信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)源模塊，通過 5 分頻產(chǎn)生 10MHZ 的時(shí)鐘信號(hào)，達(dá)到了設(shè)計(jì)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(hào)， freq1 為輸出給控制信號(hào)發(fā)生器的 1HZ 信號(hào)， feping 作為待測信號(hào)。 大 學(xué) 畢 業(yè) 論 文 （設(shè) 計(jì)） 18 圖 t1hz， fep 封裝圖 Fep 功能為將 10MHZ 的輸入頻率分別進(jìn)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(jìn)行 223 分頻 (產(chǎn)生 1HZ 的輸出頻率 freq1)，輸出 1hz 的信號(hào)，用于控制信號(hào)發(fā)生器的時(shí)鐘輸入。 分頻模塊時(shí)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(jì)） 19 在分頻模塊的仿真中，當(dāng) up , down 值為 0 時(shí)， fep 的輸出端 feping 輸出的信號(hào)為輸入的 10MHZ。在本次實(shí)驗(yàn)中 up， down 由兩個(gè)獨(dú)立按鍵控制，中間變量 num 初始值為 0， up為高電平時(shí)， num 值加一； down 為高電平時(shí)， num 值減一。當(dāng) num=0 時(shí)， feping 輸出頻率為 10MHZ。 num 增加，依次輸出既定頻率的信號(hào)。 按鍵控制模塊 本實(shí)驗(yàn)中通過兩個(gè)獨(dú)立按鍵控制信號(hào)源待測頻率的加減，一個(gè)獨(dú)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(shí)，信號(hào)源模塊輸出信號(hào) feping 的頻率遞增；當(dāng)按下按鍵 key2 時(shí)，信 號(hào)源輸出信號(hào) 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(jī)接口。在實(shí)際應(yīng)用中，很大一部分的按鍵是機(jī)械按鍵。在機(jī)械按鍵的觸點(diǎn)閉合和斷開時(shí)，都會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)，為了保證系統(tǒng)能正確識(shí)別按鍵的開關(guān)，就必須對按鍵的抖動(dòng)進(jìn)行處理。 在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，有各種各樣的消除按鍵抖動(dòng)的設(shè)計(jì)方法，硬件電路和軟件設(shè)計(jì)都很成熟。按鍵在按下時(shí)會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)，釋放時(shí)也會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)，抖動(dòng)時(shí)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(shí)電平劇烈抖動(dòng)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(shí)現(xiàn)方法：假設(shè)未按鍵時(shí)輸入 1，按鍵后輸入為 0，抖動(dòng)時(shí)不定?？梢宰鲆韵聶z測：檢測到按鍵輸入為 0 之后，延時(shí) 20ms，再 大 學(xué) 畢 業(yè) 論 文 （設(shè) 計(jì)） 20 次檢測，如果按鍵還為 0，那么就認(rèn)為有按鍵輸入。延時(shí)的 20ms 恰好避開了抖動(dòng)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(hào)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(hào)， TSTEN 為計(jì)數(shù)允許 信號(hào)，接計(jì)數(shù)器 CNT10 的 ENA， CLR_CNT 信號(hào)用于在每次測量開始時(shí)，對計(jì)數(shù)器進(jìn)行復(fù)位，接計(jì)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(hào)。控制信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)輸入時(shí)鐘為 1HZ,每兩個(gè)時(shí) 鐘周期 進(jìn)行 一次頻 率測量 。該模 塊產(chǎn)生 的 3 個(gè) 控制 信號(hào)， 分別為TSTEN,LOAD,CLR_CNT。 CLR_CNT 信號(hào)用于在每次測量開始時(shí)，對計(jì)數(shù)器進(jìn)行復(fù)位，以清除上次測量的結(jié)果，該復(fù)位信號(hào)高電平有效，持續(xù)半個(gè)時(shí)鐘周期的時(shí)間。 TSTEN 為計(jì)數(shù)允許信號(hào)，在 TSTEN 信號(hào)的上升沿時(shí)刻計(jì)數(shù)模塊開始對輸入信號(hào)的頻率進(jìn)行測量，測量時(shí)間恰為一個(gè)時(shí)鐘周期 (正好為單位時(shí)間 1s)，在此時(shí)間里被測信號(hào)的脈沖數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，即為信號(hào)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(huì)由于周期性的清零信號(hào)而不斷閃爍。在每一次測量開始時(shí)， 都必須重新對計(jì)數(shù)器清 0。 由于本次設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是等精度頻率計(jì)的實(shí)現(xiàn)，在等精度原理介紹的時(shí)候有強(qiáng)調(diào)過等精度的關(guān)鍵是：門控信號(hào)不是一個(gè)固定的值，而是與被測信號(hào)相關(guān)的，恰好是被測信號(hào)的整 大 學(xué) 畢 業(yè) 論 文 （設(shè) 計(jì)） 21 數(shù)倍。所以在設(shè)計(jì)的過程中加入了 D 觸發(fā)器，把測頻控制信號(hào)產(chǎn)生器 testctl 的輸出信號(hào)clr_t， load， tsten 分別通過 D 觸發(fā)器再分別與計(jì)數(shù)器，鎖存器相連。確保本設(shè)計(jì)的頻率計(jì)是等精度頻率計(jì)。 測頻控制信號(hào)發(fā)生器 TESTCTL 的工作時(shí)序圖，控制模塊的幾個(gè)控制信號(hào)的時(shí)序關(guān)系圖如圖 所示。 圖 TESTCTL， D 觸發(fā)器的時(shí)序仿真圖 從圖中可看出，計(jì)數(shù)使能信號(hào) TSTEN 在 1s 的高電平后，利用其反相值的上升沿產(chǎn)生一個(gè)鎖存信號(hào) LOAD,隨后產(chǎn)生清 0 信號(hào)上升沿 CLR_CNT。其中，控制信號(hào)時(shí)鐘 clk 的頻率取 1HZ，而信號(hào) TSTEN 的脈寬恰好為 1s，可以用作閘門信號(hào)。此時(shí)，根據(jù)測頻的時(shí)序要求，可得出信號(hào) LOAD 和 CLR_CNT 的邏輯描述。由圖可知，在計(jì)數(shù)完成后，計(jì)數(shù)使能信號(hào) TETEN 在 1s 的高電平后，利用其反相值的上升沿產(chǎn)生一個(gè)鎖存信號(hào) LOAD， 后，CLR_CNT 產(chǎn)生一個(gè)清零信號(hào)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(jì)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(jì)） 22 鎖存器模塊是本設(shè)計(jì)中必不可少的，測量模塊測量完成后，在 load 信號(hào)的上升沿時(shí)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(huì)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(chǔ)數(shù)據(jù)來進(jìn)行交換，使數(shù)據(jù)穩(wěn)定下來保持一段時(shí)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(shí)序圖如圖 。 圖 鎖存器 REG32B 仿真 本程序是用來實(shí)現(xiàn)鎖存器模塊的功能，在鎖存信號(hào) load 的上升沿到來時(shí)，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(jìn)行的，而是經(jīng)歷了一個(gè)短暫的延時(shí)，這是由于硬件引起的。 計(jì)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(jì)） 23 計(jì)數(shù)器模塊是由 8 個(gè)帶有異步清零端，進(jìn)位信號(hào)輸出的模為 10 的計(jì)數(shù)模塊級連而成。此十進(jìn)制計(jì)數(shù)器的特殊之處是，有一時(shí)鐘使能輸入端 ENA，用于控制計(jì)數(shù)器的工作。高電