【正文】 nt is when 0000 = sp=whole(3 downto 0)。 when 0001 = sp=whole(7 downto 4)。 when 0010 = sp=whole(11 downto 8)。 when 0011 = sp=whole(15 downto 12)。 when 0100 = sp=whole(19 downto 16)。 when 0101 = sp=whole(23 downto 20)。 when 0110 = sp=whole(27 downto 24)。 when 0111 = sp=whole(31 downto 28)。 when others = end case。 end if。end process。利用這種方法，有一個問題必須注意，那就是什么時候開始進行數(shù)據(jù)分離和數(shù)碼管選擇以及驅(qū)動，也就是說必須保證系統(tǒng)工作的同步性，計數(shù)器 count 由零變?yōu)橐坏耐瑫r，必須選擇到第一個數(shù)碼管，并把輸入數(shù)據(jù)的后四位準確傳分離出來，然后通過譯碼，驅(qū)動第一個數(shù)碼管進行顯示，在這期間，如果有一步?jīng)]有同步完成，將使整個系統(tǒng)發(fā)生錯誤。 系統(tǒng)仿真EDA 設(shè)計的優(yōu)勢之一就是在設(shè)計過程中可以對每個模塊進行隨時仿真，這樣可以提高設(shè)計精度和穩(wěn)定性，縮短開發(fā)周期，也可以節(jié)約開發(fā)成本，對每一模塊的仿真也可以更準確的把握信號在系統(tǒng)中的特性，可對系統(tǒng)隨時優(yōu)化。下面就對每個模塊的仿真過程和整個系統(tǒng)的仿真通過仿真波形詳細描述，以便更直觀的表明系統(tǒng)性能，并對設(shè)計過程中出現(xiàn)的一些問題以及解決方法進行說明。在說明前，有兩點需要聲明，系統(tǒng)的時鐘頻率全部是兆赫茲級的，也就是說，全部是納秒級，在用QuartusⅡ仿真時，仿真的時間定為 1000 納秒，但在實際應用中，操作時間遠遠大于這個時間，一些性能因為時間長會更加穩(wěn)定；第二點就是以下的所有波形仿真圖全是以頻率測量為例。 信號處理模塊仿真如圖 42 所示，當系統(tǒng)清零過后，CL 置高電平，系統(tǒng)使能，隨著被測信號 tclk的上升沿到來，系統(tǒng)計數(shù)器開始工作，當 CL＝0 時，再用 tclk 上升沿是計數(shù)器停止計數(shù)。 圖 42 信號處理模塊仿真波形其中，bclk 時系統(tǒng)標準時鐘，BZQ 和 TSQ 分別是標準信號計數(shù)器和被測信號計數(shù)器的計數(shù)結(jié)果，data1 和 data2 是信號處理模塊的數(shù)據(jù)輸出，它們的值就是兩個計數(shù)器中的值，data1 由 BZQ 賦值，data2 由 TSQ 賦值，這里需要說明一點，兩個賦值并不是實時傳遞的，而是由一個系統(tǒng)標志信號 start 使能，該信號在計數(shù)器工作時位高電平，停止計數(shù)后被置低，此時才對 data1 和 data2 進行賦值，這樣做有一個好處，因為計數(shù)輸出的數(shù)據(jù)下一步就要送到計算模塊進行處理，如果信號是隨時傳遞的，即在計數(shù)器還沒有計數(shù)完成，數(shù)據(jù)不穩(wěn)定的情況下就被送入計算模塊處理，會使整個系統(tǒng)不穩(wěn)定，尤其在很短的 1000ns 的仿真時間里，這個缺點更加明顯。從圖42 中可以看出，在 start 信號為 1 時，雖然 BZQ 和 TSQ 都有數(shù)值，但 data1 和data2 都是 0，當 start 為 0 才對它們進行賦值，分別為 8 和 4，本次仿真，被測信號的頻率正好為標準頻率信號的 倍，可見系統(tǒng)功能正確。 計算模塊仿真計算模塊基本上是調(diào)用 QuartusⅡ中的宏模塊設(shè)計的，在功能實現(xiàn)上沒有什么問題，只是在運用是出現(xiàn)了一個問題，對于宏模塊實現(xiàn)的計算，要在輸入數(shù)據(jù)后約200ns 時才能生成穩(wěn)定輸出，如果時間不夠，會產(chǎn)生亂碼，這個問題在開始的仿真過程中遇到過，這就涉及到一個問題，就是計算模塊的處理過的數(shù)據(jù)要經(jīng)過一定延時才可以送到譯碼模塊進行譯碼驅(qū)動，否則會使譯碼模塊成生亂碼，對于這個問題，會在譯碼模塊部分說明。圖 43 是計算模塊的仿真波形。 圖 43 計算模塊仿真波形其中 denom 是輸入的除數(shù)，number 是被除數(shù)，quot 是計算結(jié)果的整數(shù)部分，remain 是結(jié)果的余數(shù)部分，從圖 43 中可以看出計算結(jié)果的正確性。 譯碼模塊這部分的設(shè)計是采用掃描顯示，就是設(shè)計一個計數(shù)器，隨時鐘上升沿到來進行累加，每個上升沿到來時加 1，驅(qū)動一個數(shù)碼管，這樣，模塊的工作全由時鐘控制，上一節(jié)已經(jīng)說過，計算模塊的數(shù)據(jù)不能實時傳遞到譯碼模塊，也就是對譯碼模塊的開始作用的時間有一定要求，系統(tǒng)是采用一個人為控制的開關(guān)，就是在系統(tǒng)剛開始工作時，沒有時鐘輸入，而在系統(tǒng)運行一段時間，結(jié)果趨于穩(wěn)定后，把開關(guān)置 0，開始輸入時鐘，其實，在實際應用中，人為動作相對于兆赫茲級的系統(tǒng)頻率來說，是很慢的，并不影響正常的測量操作。該功能的仿真如圖 44 所示。 圖 44 延時時鐘驅(qū)動模塊仿真 其中 clk1 是模塊輸入時鐘，clk2 是輸出，enab 是開關(guān)，如圖所示，當 enab＝0時，clk1 才能傳遞到 clk2，否則，clk2 沒有輸出。在譯碼模塊設(shè)計中，還出現(xiàn)了一個問題，因為譯碼模塊在時鐘加 1 會進行三個處理，分別是：32 位數(shù)據(jù)分離，選擇要顯示數(shù)據(jù)的數(shù)碼管和用分離后的 4 位數(shù)據(jù)驅(qū)動被選擇到的數(shù)碼管，在設(shè)計是這三步應該是同時進行的，可在實際工作中，肯定會存在傳送延時，這樣會出現(xiàn)錯誤，如圖 45 所示。圖 45 有誤譯碼由于沒有實現(xiàn)系統(tǒng)同步，當計數(shù)器為 1 時，32 為 whole 數(shù)據(jù)的后四位并沒有正確分離出來，導致譯碼后的結(jié)果 seg 一直為 0，這是因為仿真時間太短， ，而時鐘頻率太慢，這樣，把時鐘頻率提高 5 倍，就有正確結(jié)果了，如圖 46。圖 46 正確譯碼結(jié)果從圖可知，系統(tǒng)時鐘頻率提高后，當計數(shù)器 count 加 1，sp （分離出的 4 位數(shù)據(jù)）正好是 whole 的四位，這時再等一個上升沿到來，數(shù)碼管選擇器前移一位，同時數(shù)碼管驅(qū)動信號 seg 也顯示出相應數(shù)字，要再等一個時鐘才進行這些操作是要保持系統(tǒng)的同步性。 系統(tǒng)結(jié)果仿真在每個模塊仿真結(jié)果合理后，接下來就要對整個系統(tǒng)性能進行仿真，在仿真過程中，仍然要注意時序問題，因為一旦時序發(fā)生問題，將會影響到整個系統(tǒng)的性能和測量結(jié)果的準確性。圖 47 有誤結(jié)果 1 如圖 47 所示，在第一次仿真中，由于信號處理模塊的 CL 一直為高電平，而當時又沒有控制該模塊的輸出，使得數(shù)據(jù)持續(xù)實時的送入計算模塊，導致了測量的錯誤。 圖 48 有誤結(jié)果 2在圖 48 中，由于開始沒有對計算模塊中的宏模塊進行仿真，所以不了解其傳遞特性，留給計算的時間太短，雖然輸入的數(shù)據(jù)是穩(wěn)定的，但輸出還沒有達到穩(wěn)定就把結(jié)果送入到譯碼模塊，從圖里可以看出，quot 是除法器輸出的整數(shù)位，remain是余數(shù)位，其結(jié)果非常混亂，導致譯碼模塊根本無法進行正常分離和譯碼顯示，得出的結(jié)果毫無價值。圖 49 正確結(jié)果在發(fā)現(xiàn)了基于各模塊的正確仿真和解決了上面兩個問題的基礎(chǔ)上，圖 49 所示的就是正確的仿真結(jié)果。 測量結(jié)果以及誤差分析 本設(shè)計共可實現(xiàn)四個功能，分別為對頻率、相位、脈寬和占空比的測量，根據(jù)仿真結(jié)果，具體分析如下： （1）頻率測量：測量精度和誤差列于表 41。 表 41 頻率測量被測信號頻率（Hz） 實測頻率（Hz） 測量誤差1K ％10K ％100K ％1M 1000000 ％10M 10000000 ％由表 41 可知，被測信號頻率越大，精度越大，整個系統(tǒng)的測量精度可以達到％。（2）脈寬測量 圖 410 脈寬測量如圖 410 所示，系統(tǒng)時鐘是 10ns，被測信號的正脈寬也為 10ns，從 data1 可以讀出，被測脈寬正好為系統(tǒng)時鐘周期的 1 倍，測量結(jié)果正確，精度可以達到 10ns。（3）相位差測量圖 411 pll 仿真波形第三章已經(jīng)說明過，本設(shè)計是通過一個鎖相環(huán)在系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生兩個帶有固定相位差的同頻率信號的，再通過后續(xù)電路求解其相位差，鎖相環(huán)仿真結(jié)果如圖 410。如圖 411 所示，in 為輸入的 50MHz 的信號，c0 和 c1 是鎖相環(huán)產(chǎn)生的兩個互相相差 10ns 相位的 20MHz 的信號，epo 是 c0 和 c1 的相位差波形，其頻率也為20MHz，正脈沖寬度為 10ns，如果把 epo 輸入到所設(shè)計的系統(tǒng)，利用正脈沖測量功能就可以求出相位差 ，因為：]15[ （41）tT?????2圖 412 是求得相位差的仿真波形。圖 412 求相位差結(jié)果仿真波形圖中，inclk0 是標準頻率信號，其頻率為 100MHz， ，產(chǎn)生的差位差波形的正脈沖寬度為 10ns，正好等于標準頻率信號的一個周期，所以當系統(tǒng)處于穩(wěn)定時， data1輸出值為 1，當 sel＝“00000010”時（選中第二個數(shù)碼管） ，seg＝“10111011”（數(shù)碼管顯示 1） ，結(jié)果正確。第五章 系統(tǒng)調(diào)試 系統(tǒng)引腳約束及功能在經(jīng)過上一章仿真后，可以看出各個指標的測量都已滿足設(shè)計要求，下一步就可以對 FPGA 芯片進行下載和調(diào)試，完成設(shè)計的最后一步。在對 FPGA 下載前，首先需要對設(shè)計系統(tǒng)的輸入和輸出進行引腳約束，目的是使輸入輸出信號對應 FPGA 相應引腳，以達到正確控制和顯示。表 51 是系統(tǒng)相關(guān)信號與 FPGA 引腳對應表，以及功能解釋。表 51 引腳功能說明引腳名稱 地址 功能 對應信號 作用SW1 N5 2 選 1 開關(guān) Cho 選擇輸入未知頻率信號或是相位差信號SW2 M2 2 選 1 開關(guān) Cl 計數(shù)器使能，高電平有效SW3 M4 2 選 1 開關(guān) Clr 系統(tǒng)清零，高電平有效SW4 N2 2 選 1 開關(guān) Spul 選擇測脈寬或是測頻SW5 N4 2 選 1 開關(guān) Enab 顯示使能，低電平有效7SEG_A L2 數(shù)碼管 A 段驅(qū)動信號SEG[0] 為 1 時該段數(shù)碼管被點亮7SEG_B K4 數(shù)碼管 B 段驅(qū)動信號SEG[1] 為 1 時該段數(shù)碼管被點亮7SEG_C H3 數(shù)碼管 C 段驅(qū)動信號SEG[2] 為 1 時該段數(shù)碼管被點亮7SEG_D H4 數(shù)碼管 D 段驅(qū)動信號SEG[3] 為 1 時該段數(shù)碼管被點亮表 51 引腳功能說明(續(xù))7SEG_E D9 數(shù)碼管 E 段驅(qū)動信號SEG[4] 為 1 時該段數(shù)碼管被點亮7SEG_F L3 數(shù)碼管 F 段驅(qū)動信號SEG[5] 為 1 時該段數(shù)碼管被點亮7SEG_G L4 數(shù)碼管 G 段驅(qū)動信號SEG[6] 為 1 時該段數(shù)碼管被點亮7SEG_H H1 數(shù)碼管 H 段驅(qū)動信號SEG[7] 為 1 時該段數(shù)碼管被點亮7SEG_A1 H2 為 1 時選擇到第一個數(shù)碼管SEL[0] 為 1 時選擇該數(shù)碼管7SEG_A2 G1 為 1 時選擇到第 SEL[1] 為 1 時選擇該數(shù)二個數(shù)碼管 碼管7SEG_A3 G2 為 1 時選擇到第三個數(shù)碼管SEL[2] 為 1 時選擇該數(shù)碼管7SEG_A4 F1 為 1 時選擇到第四個數(shù)碼管SEL[3] 為 1 時選擇該數(shù)碼管7SEG_A5 F2 為 1 時選擇到第五個數(shù)碼管SEL[4] 為 1 時選擇該數(shù)碼管7SEG_A6 E2 為 1 時選擇到第六個數(shù)碼管SEL[5] 為 1 時選擇該數(shù)碼管7SEG_A7 G3 為 1 時選擇到第七個數(shù)碼管SEL[6] 為 1 時選擇該數(shù)碼管7SEG_A8 G4 為 1 時選擇到第八個數(shù)碼管SEL[7] 為 1 時選擇該數(shù)碼管 系統(tǒng)調(diào)試系統(tǒng)采用的標準頻率是 50MHz，即周期為 20ns。在調(diào)試頻率測量功能時，分別對系統(tǒng)輸入了頻率為 1KHz、50MHz 、581KHz和 1080KHz 的信號，其顯示結(jié)果見附錄 1 所示：因為所設(shè)計的頻率與相位計的有效量程范圍是 1K50MHz，所以在進行頻率測量時，所有的顯示結(jié)果全部都是以 KHz為單位，這樣從附圖 1 中可以看出，當輸入被測信號頻率為 1KHz 時，顯示結(jié)果為1；在附圖 2 中，輸入信號的頻率為 50MHz，顯示為 50000，按照第二章式 23 可以推出，測量精度可達 ％。下面，又隨機生成了兩個頻率值，分別為 581KHz 和 1080KHz，把這兩個信號分別輸入系統(tǒng)得到附錄 1 中圖 圖 4 的顯示結(jié)果，分別為 581 和 1080，從顯示結(jié)果可以看對于頻率與標準信號的頻率不是整數(shù)倍的被測信號，測量系統(tǒng)仍然可以達到一個比較滿意的精度。對于相位的測量，由于它與脈寬測量的原理和測量方法基本相同，所以不單獨對脈寬測量功能進行調(diào)試了，通過測量相位差就可以知道脈寬測量的精度，在調(diào)試時，分別用鎖相環(huán)生成兩個 20MHz，相位差分別為 10ns、20ns、30ns 和 40ns 的信號，顯示結(jié)果見附錄。從附圖 5 可知，當相位差為 40ns 時，顯示為 4；從附圖 6 可以看出，當相位差為 10ns 時，顯示結(jié)果為 1。在測量相位時，沒有直接顯示測量得出的相位差，