【文章內(nèi)容簡介】 ? 開放的界面 ? 與結(jié)構(gòu)無關(guān) ? 完全集成化 ? 豐富的設(shè)計庫 ? 模塊化工具 ? 硬件描述語言 ? Opencore 特征 Max+PlusⅡ 的功能 Max+PlusⅡ 支持 FLEX、 MAX 及 Classic 等系列 EDA 器件，設(shè)計者無須精通器件內(nèi)部 的復(fù)雜結(jié)構(gòu) ， 只需用自己熟悉的設(shè)計輸入工具，如高級行為語言、原理圖或波形圖進(jìn)行設(shè)計輸入，它便將這些設(shè)計轉(zhuǎn)換成目標(biāo)結(jié)構(gòu)所要求的格式，從而簡化了設(shè)計過程。而且 Max+PlusⅡ 提供了豐富的邏輯功能庫供設(shè)計者使用。設(shè)計者利用以上這些庫及自己添加的宏功能模塊，可大大減輕設(shè)計的工作量 .，減輕了設(shè)計者的工作負(fù)擔(dān)，使設(shè)計者可以快速完成所需的設(shè)計 。 使用該軟件，用戶從開始設(shè)計邏輯到完成器件下載編程一般只需數(shù)個小時時間，其中設(shè)計的編輯時間往往僅需數(shù)分鐘。用于可在一個工作日內(nèi)完成實(shí)現(xiàn)設(shè)計項目的多次修改，直至最終設(shè)計定型。 Max+plusII 支持的設(shè)計輸入方式主要有 4 種：圖形輸入（ gdf 文件）、 AHDL語言（ 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)計管理； LPM（可調(diào)參數(shù)模塊）。Max+plusII 支持的設(shè)計校驗：時序分析、功能仿真、時序仿真、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。 Max+PlusⅡ 的設(shè)計過程 Max+PlusⅡ 軟件設(shè) 計的流程應(yīng)包括 5 個部分。 長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 7 設(shè) 計 輸 入 功 能 仿 真設(shè) 計 修 改編 程 校 驗項 目 編 譯 驗 證 功 能 圖 21 設(shè)計流程圖 設(shè)計輸入 ： 可以采用原理圖輸入、 HDL 語言描述、 EDIF 網(wǎng)表讀入及波形輸入等方式。 功能仿真 ： 此時為零延時模式，主要為檢驗輸入是否有誤。 項目編譯 ： 主要完成器件的選擇及配置，邏輯的綜合及器件的裝入，延時信息的提取。 驗證仿真 ： 將編譯產(chǎn)生的延時信息加入到設(shè)計中，進(jìn)行布局后的仿真，是與實(shí)際器件工作時情況基本相同的仿真。 編程 校驗 ： 用驗證仿真確認(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，進(jìn)行測試，以檢查是否完成預(yù)定功能。 以上各步如果出現(xiàn)錯誤的現(xiàn)象，則需重新回到設(shè)計輸入階段，改正錯誤輸入或調(diào)整電路后重復(fù)上述過程。 長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 8 第 3 章 頻率計的設(shè)計原理及方案 頻率計的設(shè)計原理 傳統(tǒng)的數(shù)字電子系統(tǒng)或 IC 設(shè)計中，手工設(shè)計占了較大的比例。一般先按電子系統(tǒng)的具體功能要求進(jìn)行功能劃分，然后對每個子模塊畫出真值表，用卡諾圖進(jìn)行手工邏輯簡化，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)計電路板，最后進(jìn)行實(shí)測與調(diào)試。傳統(tǒng)的手工設(shè)計發(fā)展而來的自底向上的設(shè)計方法，在進(jìn)行手式電路設(shè)計時，一個硬件系統(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)計無固定套路可尋，主要憑借設(shè)計者的經(jīng)驗，所設(shè)計的數(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)計方法已逐步被現(xiàn)代的自頂向下的設(shè)計方法所取代。所謂自頂向下的設(shè)計，就是設(shè)計者首先從 整體上規(guī)劃整個系統(tǒng)的功能和性能，然后對系統(tǒng)進(jìn)行劃分，分解為規(guī)模較小、功能較為簡單的局部模塊，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)計方法流程圖如下： 用 系 統(tǒng) 行 為 描 述 一 個 包 含 輸 入 輸 出 的 頂 層 模塊 ， 同 時 完 成 整 個 系 統(tǒng) 的 模 擬 與 性 能 分 析將 系 統(tǒng) 劃 分 為 各 個 功 能 模 塊 ， 每 個 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)計方法流程圖 頻率計是能夠測量和顯示信號頻率的電路。所謂頻率，就是周期性信號在單位時間（ 1 s）內(nèi)變化的次數(shù)。 數(shù)字頻率計是直接用十進(jìn)制數(shù)字來顯示被測信號頻率的一種測量裝置。常用的測頻方法有兩種，一種是測周期 法，一種是測頻率法。測周期法需要有基準(zhǔn)時鐘頻率 Fs，在待測信號一個周期 Tx 內(nèi)，記錄基準(zhǔn)系統(tǒng)時鐘頻率的周期數(shù) Ns，則被測頻率可表示為： 長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 9 NsFsFx? （ 31） 測頻率法就是在一定時間間隔 Tw（該時間定義為閘門時間）內(nèi)，測得這個周期性信號的重復(fù)交換次數(shù)為 Nx，則其頻率可表示為： TwNxFx? （ 32） 這兩種方法的計數(shù)值會產(chǎn)生正負(fù)一個字的誤差，并且被測精度與計數(shù)器中記錄的數(shù)值 Nx有關(guān)，為保證測試精度，一般對于低頻信號采用測周期法，對于高頻信號采用測頻率法。 直接測頻法原理 直接測頻法是在給定的閘門時間內(nèi)，通過測量一定時間內(nèi)通過的周期信號進(jìn)行重復(fù)計數(shù)，再利用一定的轉(zhuǎn)換方法計算出被測信號的頻率。被測信號的頻率和閘門時間的設(shè)置都會對測量精度有影響。 直接測頻法控制波形圖如下： TN閘 門 信 號標(biāo) 準(zhǔn) 信 號被 測 信 號 圖 32 直接測頻法時序控制波 形圖 直接測頻法的一般思路是：在精確規(guī)定計數(shù)允許周期 T 內(nèi)，計數(shù)器對被測信號的周期（脈沖）數(shù)進(jìn)行計數(shù)，計數(shù)允許周期 T 的長度決定了被測信號頻率的范圍。較長的計數(shù)允許周期 T 對低頻信號而言有利于改善測量精度，但對于高頻信號來說，則會產(chǎn)生溢出；較短的計數(shù)允許周期 T 對低頻信號的測量，雖然精度降低，但能測量的最大頻率較高，且不會溢出。因此本設(shè)計為提高測頻精度，加入4 個量程檔位。 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報警。 等精度測頻法原理 等精度測頻法是在計數(shù)器測頻法的基礎(chǔ)上發(fā)展來的，頻率為 fx 的被測信號經(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作為標(biāo)準(zhǔn)輸入到閘門 ，產(chǎn)生一個與被測信號同步的閘門信號。在同步門打開時通過同步門分別輸入到事件計數(shù)器和時間計數(shù)器的信號輸入端，計數(shù)器開始計數(shù)。同步門關(guān)閉時信號不能通過主門，計數(shù)長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 10 器停止計數(shù)，單片機(jī)發(fā)出命令讀入計數(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 等精度測頻法時序控制波形圖 此種測頻可獲得較高的測量精度，測頻范圍是 0Hz～ 40MHz，測頻范圍廣。并且具有超量程報警功能。 頻率計的設(shè)計方案 本設(shè)計的核心部件是 CPLD芯片，所有信號包括基準(zhǔn)頻率信號，被測信號均送到 CPLD芯片中。 基于直接測頻法的設(shè)計方案 基于直接測頻法設(shè)計的系統(tǒng)包含以下模塊：分頻器模塊、閘門定時信號模塊、測頻控制信號發(fā)生器模塊、 4 個有時鐘使能的十進(jìn)制計數(shù)器模塊、 4 個鎖存器模塊、顯示模 塊。 被 測 信 號放 大 整 形計 數(shù) 器有 源 晶 振B Y G Y E D A 試 驗 箱4 M H z分 頻 器閘 門 定 時 信 號 控 制 器測 頻 控 制 信 號 發(fā) 生 器鎖 存 器顯 示 模 塊共 陰 極 L E D 數(shù) 碼 管報 警 設(shè) 備電 源 部 分C P L D 芯 片圖 34 采 用直接測頻法的數(shù)字頻率計設(shè)計 長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 11 頻率測量的基本原理是計算每秒鐘內(nèi)待測信號的脈沖個數(shù)。測頻的過程是將試驗箱上的 4MHz 的頻率經(jīng)分頻器變成 1KHz 的時鐘信號，再經(jīng)過閘門定時信號控制器再分頻，得到 4 種不同的閘門控制信號，分別是 1Hz、 10Hz、 100Hz、 1000Hz四種，從而可以測出 0～ 內(nèi)的高頻、低頻信號。并且具有超量程提示功能，在超出目前量程檔次時報警。 以產(chǎn)生 1Hz 的閘門信號為例，經(jīng)過測頻控制信號發(fā)生器，計數(shù)使能信號能產(chǎn)生一個 1 s 脈寬的周期信號，并對頻率計的每一個計數(shù)器的使能端進(jìn)行同步控制 。當(dāng)使能信號為高電平時允許計數(shù)，為低電平時停止計數(shù)，并保持其所計脈沖個數(shù)。在停止計數(shù)期間，首先需要一個鎖存信號的上跳沿將計數(shù)器在前 1 s 的計數(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。鎖存信號之后，必須有一個清零信號對計數(shù)器進(jìn)行清零，為下 1 s 的技術(shù)操作做準(zhǔn)備。 其中控制信號頻率始終為 1 Hz ，那么使能信號的脈寬正好為 1 S，可以用作技術(shù)閘門信號。然后根據(jù)測頻的時序要求，可得出邏輯信號和清零信號的邏輯描述。計數(shù)完成后，利用技術(shù)使能信號反向值的上跳沿產(chǎn)生一個鎖存信號。 s后，清零信 號產(chǎn)生一個清零信號上跳沿。計數(shù)器的特殊之處是，有一時鐘使能輸入端 ena，用于鎖存計數(shù)值。當(dāng)高電平時計數(shù)允許，低電平時計數(shù)禁止。鎖存器的設(shè)計要求為若已有 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：將試驗箱上的 4MHz 的時鐘信號變成 1KHz 的信號。 閘門定時信號模塊：將輸入的 1KHz，產(chǎn)生 4 種不同的閘門信號，為控制信號發(fā)生器提供 4 種不同的頻率信號： 1KH、 100Hz、 10Hz、 1Hz。 測頻控制信號發(fā)生器模塊： 每次測量時，用由時基標(biāo)準(zhǔn)信號產(chǎn)生的閘門信號啟動計數(shù)器，對輸入脈沖信號計數(shù)，閘門信號結(jié)束即將計數(shù)結(jié)果送入鎖存器，然后計數(shù)器清零，準(zhǔn)備下一次計數(shù)。 十進(jìn)制計數(shù)器模塊：從測頻原理的介紹中可以看出，測頻的本質(zhì)就是計數(shù)，所以計數(shù)器也是系統(tǒng)中不可或缺的模塊。 鎖存器模塊：鎖存計數(shù)器數(shù)值。其好處是使顯示數(shù)據(jù)穩(wěn)定，不會由于周期性的清零信號而不斷閃爍。鎖存器的位數(shù)跟計數(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。 基于等精度測頻法的設(shè)計方案 基于等精 度測頻法設(shè)計的測頻系統(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、兩個十進(jìn)制計數(shù)器模塊、乘法器模塊、高、低位轉(zhuǎn)換模塊、顯示模塊。 長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 12 放 大 整 形有 源 晶 振B Y G Y E D A 試 驗 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 警 設(shè) 備報 警 設(shè) 備電 源 部 分C P L D 芯 片圖 35 采用等精度測頻法的數(shù)字頻率計設(shè)計 頻率測量的原理是：設(shè) CNT101 和 CNT102 是兩個可控十進(jìn)制計數(shù)器。標(biāo)準(zhǔn)頻率信號從 CNT101 的時鐘輸入端 CLK 輸入，其頻率為 Fs，被測頻率信號從CNT102 的時鐘輸入端 CLK 輸入，其頻率為 Fx。當(dāng)預(yù)置門控信號為高電平時，被測信號的上升沿通過觸發(fā)器 D 的 Q 端同時啟動計數(shù)器 CNT101 和 CNT102。CNT101 和 CNT102 分別對標(biāo)準(zhǔn)信號 Fs 和被測信號 Fx同時計數(shù)。當(dāng)預(yù)置門信號為低電平時，隨后而至的被測信號的上升沿將使兩個計數(shù)器同時關(guān)閉。設(shè)在一次預(yù)置門電路 T 內(nèi)對被測信號計數(shù)為 Nx，對標(biāo)準(zhǔn)信號計數(shù)為 Ns，則下式成立： NsFsNxFx? （ 33） 由此推得： NsNsFsFx *? （ 34） 若所測頻率為 Fx，其真實(shí)值 Fxe，標(biāo)準(zhǔn)頻率為 Fs，一次測量中，由于 Fx計數(shù)的起停都是由該信號的上跳沿觸發(fā)的，因此在 T 內(nèi)對 Fx 的計數(shù) Nx 無誤差，在此時間內(nèi)的計數(shù) Ns 最多相差一個脈沖，即△ et≤ 1，則下式成立 NsFsNxFx? （ 35） etNsFsNxFxe ??? （ 36） 可分別推得 NsFsNxFx? （ 37）