【正文】 端，與預(yù)置閘門信號模塊的 clkp 端口相連； Nx：計數(shù)器輸出端，在預(yù)置閘門信號的高電平寬度內(nèi)，對被測信號的上升沿計數(shù)，輸出一個 11 位 2 進(jìn)制數(shù)； 計數(shù) Ns模塊 計數(shù) Ns 模塊是利用實際閘門模塊產(chǎn)生的實際閘門控制信號來控制對標(biāo)準(zhǔn)信號 Ns 進(jìn)行計數(shù)，其模塊設(shè)計如圖 310 所示 。與分頻模塊端口的 clk_s 相連，對 clk_s 信號進(jìn)行計數(shù)，產(chǎn)生一個一定寬度的預(yù)置閘門信號； start：開始信號，高電平有效，置高時，開始產(chǎn)生預(yù)置閘門脈沖信號； clkp：產(chǎn)生閘門信號的輸出端； 實際閘門 模塊 實際閘門模塊是利用預(yù)置閘門模塊產(chǎn)生的預(yù)置閘門信號與從外部輸入的被測信號共同控制產(chǎn)生一個實際閘門控制信號，這個控制信號與被測信號時完全同步的，其模塊設(shè)計 如圖 38 所示 。低 電平時分頻為 1Hz,高 電平時分頻為 1KHz； clk_s：為分得頻率的輸出端口； 預(yù)置閘門 模塊 預(yù)置閘門模塊是用分頻模塊分得的頻率作為控制時鐘信號，利用計數(shù)的方法產(chǎn)生一個預(yù)置閘門控制信號，其模塊設(shè)計 如圖 36 所示 。 圖 34 計數(shù)器模塊仿真圖 分頻模塊 分頻模塊主要是對 FGPA 產(chǎn)生的 48MHz 的時鐘 晶振頻率進(jìn)行分頻，獲得所需的控制信號頻率和標(biāo)準(zhǔn)信號頻率，其模塊 設(shè)計 如圖 35 所示 。計數(shù)完成時 ok 信號被置高電平。 計數(shù)器模塊 仿真結(jié)果如圖 34 所示 。負(fù)脈沖有效； start：開始信號，高電平有效。 設(shè) 計 定 義綜 合布 局 布 線設(shè) 計 輸 入下 載 測 試仿 真綜 合 前 仿 真綜 合 后 仿 真布 局 布 線 后 仿 真 圖 32 Libero 設(shè)計流程圖 計數(shù)器模塊 計數(shù)器 模塊主要是利用 FPGA 提供的始終脈沖，產(chǎn)生一個控制閘門信號，利用控制閘門信號與被測信號共同產(chǎn)生一 個實際閘門信號，在利用這個實際閘門信號控制分別對被測信號 xN 和標(biāo)準(zhǔn)信號 Ns 計數(shù)，計數(shù)器 總體 設(shè)計 如圖 33 所示。 SoftConsole：免費的處理器軟件開發(fā)環(huán)境，帶有 C、 C++編譯器，支持Actel 的 CoreMP CortexM1 的軟件程序的編譯和調(diào)試功能，使用 USB 的下載器 FlashPro3 作為調(diào)試的硬件工具，為用戶的開發(fā)和調(diào)試節(jié)省成本。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 FlashPro:Actel 公司提供的編程下載軟件，通過 JTAG 接口對器件進(jìn)行操作，可執(zhí)行的操作包括：下載文件、設(shè)置 /擦除密碼、校驗、讀取配置信息等，支持菊花鏈 JTAG 編程，支持 Pdb/Stp 文件下載。 SmartDesign：在 以上版本中集成，圖形化輸入方式，方便連接和直觀的校驗設(shè)計的正確性，可以創(chuàng)建和管理設(shè)計的內(nèi)部功能模塊，可以直接導(dǎo)入 IP cores 和 HDL 文件生成的模塊，功能較 ViewDraw 更強大，操作性更好。 Designer： Actel公司提供的針對 FPGA 的高效布局布線工具，用戶界面簡單明了，可以在短時間內(nèi)完成布局布線，并生成反標(biāo)注文件和最終的編程下載文件，可以用圖形的方式管理約束管腳、瀏覽布局布線 的結(jié)果，提供時序約束和功耗分析的功能。 集成軟件如下 ModelSim：業(yè)界優(yōu)秀的 HDL 語言仿真器，提供友好的調(diào)試環(huán)境，支持VHDL 和 Verilog 混合仿真，采用直接優(yōu)化的編譯技術(shù)， Tcl/TK 技術(shù)和單一內(nèi)核仿真技術(shù)，編譯速度快，編譯的代碼與平臺無關(guān)，便于保護(hù) IP 核，是FPGA/ASIC 設(shè)計的 RTL 級核門級電路仿真的首選工具。 LiberoIDE 不僅帶有 Actel自身的高性能的布局布線工具，還集合了業(yè)界極具影響力的仿真、綜合等工具。 支持最大 81 個用戶 I/O，熱插拔和冷備份。 EasyFPGA030 開發(fā)板如圖 31 所示 [8]。板上的外設(shè)包括四個按鍵、四個 LED、 48MHz 的晶振等，同時板上提供了 FPGA 下載所需要的下載器，直接與 PC 機(jī)并口相連，并通過上位機(jī)軟件 Libero 即可下載。 計數(shù)器是對被測信號和標(biāo)準(zhǔn)信號進(jìn)行計數(shù)，計數(shù)完成之后發(fā)出信號通 知除法器模塊進(jìn)行讀取計數(shù)值，并且除法器把兩個計數(shù)值進(jìn)行除法運算 。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 第 3章 FPGA 設(shè)計 引言 本章 主要介紹 FPGA 部分的主體設(shè)計和相關(guān)程序。由于多周期同步測頻方法具有如是優(yōu)點，所以確定為最終的測頻的算法。 分 頻預(yù) 置閘 門實 際閘 門被 測信 號計 數(shù)標(biāo) 準(zhǔn)信 號計 數(shù)除法器單片機(jī)L E D 圖 22 設(shè)計總體框圖 本章小結(jié) 通過以上分析，可以得到多周期同步測頻法，不僅避免了傳統(tǒng)測頻方法在計數(shù)過程中產(chǎn)生的 177。 總體設(shè)計 首先對 EasyFPGA030 提供的 48MHz 的晶振頻率進(jìn)行分頻，利用分頻所得的頻率通過計數(shù)的方法產(chǎn)生一個預(yù)置閘門信號，再利用預(yù)置閘門信號和被測信號產(chǎn)出一個實際閘門信號，預(yù)置閘門信號和實際閘門信號分別控制對被測信號 xN 和標(biāo)準(zhǔn)信號 sN 計數(shù)。 在測量中，由于 xf 計數(shù)的起停 時間都是由該信號的上升測觸發(fā)的， 無字誤差。但從圖 21 中可得實際閘門控制信號與被測信號 xN 同步，因此消除了 1? 的脈沖誤差 ，并且此測頻方法不僅對被測信號進(jìn)行計數(shù)，而且去標(biāo)準(zhǔn)信號 sN 也計數(shù)，所以稱為多周期同步測頻法 [6]。 測量的具體方法是： 首先給個閘門開啟信號（預(yù)置閘門信號），此時計數(shù)器并不開始計數(shù)，而是等被測信號的上升沿到來時計數(shù)器才開始計數(shù)，然后預(yù)置閘門信號關(guān)閉信號（下降沿），計數(shù)器并不立即停止 計數(shù)，而是等到被測信號上升沿來到時才停止計數(shù)，完成一次測量過程， 過程如圖 21 所示 。 利用 FPGA強大的邏輯處理功能 使被測信號和標(biāo)準(zhǔn)信號在閘門時間內(nèi)同步測量，為了提高精度，將電子計數(shù)功能轉(zhuǎn)為測周期，采用多周期同步測量技術(shù)，實現(xiàn)等精度測量。等精度測頻法采用門控信號和被測信號同步，消除對被測信號計數(shù)產(chǎn)生的一個脈沖的誤差。 但這兩種方法分 別適合高頻和低頻，在整個測量域內(nèi) 測量精度不同，因此要求等精度的話，要求在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn) [5]。 （ 2） 測周法 ： 這種方法是計量在被測信號一個周期內(nèi)頻率為 0F 的標(biāo)準(zhǔn)信號的脈沖數(shù) N 來 測量頻率 ， NFF 0? 。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 常用直接測頻的方法 （ 1） 計數(shù)法 ： 這是指在一定的時間間隔 T 內(nèi)，對輸人的周期信號脈沖計數(shù)為 :N ，則信號的頻率為TNf?。位數(shù)越多，分辨率越高。 （ 2） 頻率測量范圍 在輸入電壓符合規(guī)定要求值時，能 夠正常進(jìn)行測量的頻率區(qū)間稱為頻率測量范圍，頻率測量范圍主要有放大整形電路的頻率響應(yīng)決定的。并且從總體上介紹了設(shè)計方案的流程。通過把設(shè)計下載到開發(fā)板上，并實際用于頻率測量，從而發(fā)現(xiàn)設(shè)計的不足和錯誤之處并加以改正。并且給出了動態(tài)顯示的軟硬件設(shè)計方案和信號整形設(shè)計方案。 第 4 章中，顯示及信號的整形設(shè)計。 第 3 章中， FPGA 設(shè)計。 而常用的的直接測頻方法在實用中有較大的局限性，其測量精度隨著被測信號的頻率改變，測量的精度也改變，而且對被測信號的計數(shù)要產(chǎn)生 1? 個數(shù)字誤差， 而等精度頻率計不 但具有較高的測頻精度，不隨所測信號的變化而變化，在整個測頻區(qū)域能保持恒定的測頻精度 [3]。頻率信號抗干擾性強，易于傳輸，可以獲得較高的測量精度，所以測量頻率的方法的研究越來越受的重視。在閘門脈沖開啟主門的期間，特定周期的窄脈沖才能通過主門，從而進(jìn)入計數(shù)器進(jìn)行計數(shù)，計數(shù)器的顯示電路則用來顯示被測信號的頻率值，內(nèi)部控制電路則用來完成各 種測量功能之間的切換并實現(xiàn)測量設(shè)置 [2]。在一個測量周期過程中，被測周期信號在輸入電路中經(jīng)過放大、整形、微分操作之后形成特定周期的窄脈沖，送到主門哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 的一個輸入端。 其最基本的工作原理為：當(dāng)被測信號在特定時間段 T 內(nèi)的周期個數(shù) 為 N 時，則被測信號的頻率 TNf? 。 在無線通訊測試中，頻率計既可以被用來對無線通訊基站的主時鐘進(jìn)行校準(zhǔn)，還可以被用來對無線電臺的跳頻信號和頻率調(diào)制信號進(jìn)行分析。頻率計能夠快速的捕捉到晶體振蕩器輸出頻率的變化，用戶通過使用頻率計能夠迅速的發(fā)現(xiàn)有故障的晶振產(chǎn)品，確保產(chǎn)品質(zhì)量 。正是由于頻率計能夠快速準(zhǔn)確的捕捉到被測信號頻率的變化，因此，頻率計擁有非常廣泛的應(yīng)用范圍。 在傳統(tǒng)的電子測量儀器中，示波器在進(jìn)行頻率測量時測量精度較低，誤差較大。頻率計最重要的功能是根據(jù)基準(zhǔn)時鐘信號實現(xiàn)對被測信號的頻率進(jìn)行檢測。 課題來源、目的和意義 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，高精度集成電路的應(yīng)用，生產(chǎn)力得到了大幅度的發(fā)展，以大規(guī)模集成電路為主的各種設(shè)備成了當(dāng)今社會最常用的設(shè)備。 Agilent 科技公司的常規(guī)頻率計信號主要有： 53181A、53131A、 53132A。 Agilent 科技公司是一家美 國公司，總部位于美國的加利福尼亞。同時，Pendulum Instruments 公司還 推出銣鐘時基頻率計 CNT91R、 CNT85R。 Pendulum 公司源于 Philips 公司的時間、頻率部門，在時間頻率測量領(lǐng)域具有 40 多年的研發(fā)生產(chǎn)經(jīng)歷。歐美頻率計廠家主要有： Pendulum Instruments 和 Agilent 科技 。 目前，市場上的頻率計廠家可分為三類：中國大陸廠家、中國臺灣廠家、歐美廠家。 目前最主要的方法是 基于單片機(jī)和 FPGA 或 CPLD 利用 EDA 技術(shù)設(shè)計實現(xiàn) 等精度 頻率 測量 ，這使設(shè)計過程大大簡化，縮短了開發(fā)周期，減小了電路系統(tǒng)的體積，同時也有利于保證頻率計較高的精度和較好的可靠性。據(jù)統(tǒng)計，目前發(fā)達(dá)國家在電子產(chǎn)品開發(fā)中 EDA 工具的利用率已達(dá) 50％，而大部分的 FPGA 已采用 HDL（ Hardware Description Language——硬件描述語言 ） 設(shè)計。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計（論文） V 涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。 作者簽名： 日期： 年 月 日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。對本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。 作者簽名： 日 期： 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計（論文） IV 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨立進(jìn)行研究所取得的研 究成果。對本研究提供過幫助和做出過貢獻(xiàn)的個人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計（論文） II Abstract Abstract: According to the principle of measurement etc precision, proposed based on FPGA digital frequency of design project progress. Introduces the principle of frequency measurement with etc precision and synchronous, and parative analysis the measurement precision and features with the traditional measuring method. With more than proved step frequency method with etc precision and synchronous has periodic advantage. Based on the ZhouLiGong pany production EasyFPGA030 development board, in integrated software development environment, using hardware VerilogHDL programming language to write counter module, divide module. With Synplify synthetically, with ModelSim simulation giving simulation results, Designer layout wiring. Using FlashPro download the design to development board. Use MUC and LED digital tube to show the measurement results. Use 74LS244 tristate buffers and transistor to amplify current that LED digital tube brighter. Use 74