電子測評儀設計研究論文

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摘要

電子測頻儀是一種基本的測量儀器，是用數字顯示被測信號頻率的儀器，被測信號可以是正弦波，方波或其它周期性變化的信號。因此，它被廣泛應用與航天、電子、測控等領域。它的基本測量原理是，首先讓被測信號與標準信號一起通過一個閘門，然后用計數器計數信號脈沖的個數，把標準時間內的計數的結果，用鎖存器鎖存起來，最后用顯示譯碼器，把鎖存的結果用LED數碼顯示管顯示出來。根據數字頻率計的基本原理，本文設計方案的基本思想是分為五個模塊來實現其功能，即整個數字頻率計系統分為分頻模塊、防抖電路、計數模塊、鎖存器模塊和顯示模塊等幾個單元，并且分別用VHDL對其進行編程，實現了閘門控制信號、計數電路、鎖存電路、位選電路、段選電路、顯示電路等。本文詳細論述了利用VHDL硬件描述語言設計，并在EDA（電子設計自動化）工具的幫助下，用大規?？删幊唐骷–PLD）實現數字頻率計的設計原理及相關程序。該設計方案對其中部分元件進行編程，實現了閘門控制信號、多路選擇電路、計數電路、位選電路、段選電路等。頻率計的測頻范圍：10KHz~9.9MHz。該設計方案通過了Max+plusⅡ軟件仿真、硬件調試和軟硬件綜合測試。

關鍵詞：數字頻率計電子設計自動化大規?？删幊唐骷布枋稣Z言

目錄

摘要i

目錄ii

第1章緒論1

第2章電子測頻儀的設計原理5

2.1電子測頻儀的基本組成5

2.2電子測頻儀的分類6

2.4電子測頻儀的基本工作原理6

2.5電子測頻儀技術指標及誤差分析8

第3章CPLD簡介10

3.1CPLD器件結構簡介10

3.2典型CPLD器件簡述12

3.3CPLD的編程工藝14

3.4新技術的應用15

第4章電子測頻儀設計環境簡介17

4.1QuartusⅡ開發軟件簡介17

4.1.1圖形用戶界面設計流程18

4.1.2EDA工具設計流程18

4.1.3QuartusⅡ軟件的主要設計特性18

第5章電子測頻儀的設計21

5.1電子測頻儀設計任務及要求21

5.2設計實現21

5.3功能模塊設計23

5.4下面分別介紹各模塊基于VHDL的設計方法23

5.5頂層文件的編寫41

5.6程序說明44

5.7系統仿真44

第6章結論46

致謝47

參考文獻48

第1章前言

軟件編程對其器件的結構和工作方式進行重構，能隨時進行設計調整而滿足產品升級。使得硬件的設CPLD是一種新興的高密度大規?？删幊踢壿嬈骷哂虚T陣列的高密度和PLD器件的靈活性和易用性，目前已成為一類主要的可編程器件?？删幊唐骷淖畲筇攸c是可通過計可以如軟件設計一樣方便快捷，從而改變了傳統數字系統及用單片機構成的數字系統的設計方法、設計過程及設計概念，使電子設計的技術操作和系統構成在整體上發生了質的飛躍。

采用CPLD可編程器件，可利用計算機軟件的方式對目標期進行設計，而以硬件的形式實現。既定的系統功能，在設計過程中，可根據需要隨時改變器件的內部邏輯功能和管腳的信號方式，借助于大規模集成的CPLD和高效的設計軟件，用戶不僅可通過直接對芯片結構的設計實現多種數字邏輯系統功能，而且由于管腳定義的靈活性，大大減輕了電路圖設計和電路板設計的工作量及難度，同時，這種基于可編程芯片的數量，縮小了系統的體積，提高了系統的可靠性。EDA（電子設計自動化）技術就是以計算機為工具，在EDA軟件平臺上，對硬件語言HDL為系統邏輯描述手段完成的設計文件，自動的完成邏輯編譯、邏輯化簡、邏輯綜合及優化、邏輯仿真，直至對特定目標芯片的適配編譯、邏輯映射和編程下載等工作（文本選用的開發工具為Altera公司的MAX+PLUSII）。EDA的仿真測試技術只需要通過計算機就能對所設計的電子系統從各種不同層次的系統性能特點完成一系列準確的測試與仿真操作，大大提高了大規模系統電子設計的自動化程度。設計者的工作僅限于利用軟件方式，即利用硬件描述語言（如VHDL）來完成對系統硬件功能的描述。

VHDL語言（VeryHighSpeedIntegratedCircuitHardwareDescriptionLanguage,超高速集成電路硬件描述語言）誕生于1982年，是由美國國防部開發的一種快速設計電路的工具，1985年正式推出是目前標準化程度最高的硬件描述語言。IEEE（TheInstituteofElectricalandElectronicsEngineers）于1987年將VHDL采納為IEEE1076標準。VHDL經過十幾年的發展、應用和完善以其強大的系統描述能力、規范的程序設計結構、靈活的語言表達風格和多層次的仿真測試手段在電子設計領域受到了普遍的認同和廣泛的接受成為現代EDA領域的首選硬件描述語言。目前流行的EDA工具軟件全部支持VHDL它在EDA領域的學術交流、電子設計的存檔、專用集成電路（ASIC）設計等方面擔任著不可缺少的角色。有專家認為在21世紀VHDL與VerlogHDL語言將承擔起幾乎全部的數字系統設計任務。顯然VHDL是現代電子設計師必須掌握的硬件設計計算機語言。

1.具有一下幾個特點：VHDL具有強大的功能覆蓋面廣描述能力強。VHDL支持門級電路的描述也支持以寄存器、存儲器、總線及運算單元等構成的寄存器傳輸級電路的描述還支持以行為算法和結構的混合描述為對象的系統級電路的描述。

2.VHDL有良好的可讀性。它可以被計算機接受也容易被讀者理解。用VHDL書寫的源文件既是程序又是文檔既是工程技術人員之間交換信息的文件又可作為合同簽約者之間的文件。

3.VHDL具有良好的可移植性。作為一種已被IEEE承認的工業標準VHDL事實上以成為通用的硬件描述語言可以在各種不同的設計環境和系統平臺中使用。

4.使用VHDL可以延長設計的生命周期。用VHDL描述的硬件電路與工藝無關不會因工藝而使描述過時。與工藝有關的參數可以通過VHDL提供的屬性加以描述工藝改變時只需要修改相應程序中屬性參數即可。

5.VHDL支持對大規模設計的分解和已有設計的再利用。VHDL可以描述復雜的電路系統支持對大規模設計的分解由多人、多項目組來共同承擔和完成。標準化的規則和風格為設計的再利用提供了有利的支持。

6.VHDL有利于保護知識產權。用VHDL設計的專用集成電路（ASIC）在設計文件下載到集成電路時可以采用一定保密措施使其不易被破譯和竊取。

目前已成為IEEE（TheInstituteofElectricalandElectronicsEngineers）的一種工業標準硬件描述語言，相比傳統的電路系統的設計方法，VHDL具有多層次描述系統硬件功能的能力，支持自頂向下（ToptoDown）和基于庫（Library-based）的設計的特點，因此設計者可以不必了解硬件結構設計，從系統設計入手，在頂層進行系統方框圖的劃分和結構設計，在方框圖一級用VHDL對電路的行為進行描述，并進行仿真和糾錯，然后在系統一級進行驗證，最后再用邏輯綜合優化工具生成具體的門級邏輯電路的網表，下載到具體的CPLD器件去，從而實現可編程的專用集成電路（ASIC）的設計。

基于EDA技術的設計方法為自頂向下設計，其步驟是采用可完全獨立于目標器件芯片物理結構的硬件描述語言，在系統的基本功能或行為級上對設計的產品進行行為描述和定義，結合多層次的仿真技術，在確保設計的可行性與正確性的前提下，完成功能確認，然后利用EDA工具的邏輯綜合功能，把功能描述轉換為某一具體目標芯片中（如CPLD芯片），使該芯片能夠實現設計要求的功能，使電路系統體積大大減少，可靠性得到提高。

電子測頻儀是數字電路中的一個典型應用，實際的硬件設計用到的器件較多，連線比較復雜，而且會產生較大的延時，造成測量誤差、可靠性差。隨著可編程邏輯器件（CPLD）的廣泛應用，以EDA工具為開發平臺，運用VHDL語言，將使系統大大簡化。提高整體的性能和可靠性。

本文用VHDL在CPLD器件上實現一種電子測頻儀測頻系統，能夠用十進制數碼管顯示被測信號的頻率，不僅能測量頻率，還可以測量其他多種物理量。具有體積小、可靠性高、功耗低的特點。