基于fpga的数字频率及设计与实现

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1、第1章绪论1.1课题背景与意义在电子技术中，频率是最基本的参数之一，并且与许多电参量的测量方案、测量结果都有十分密切的关系，频率的测量就显得尤为重要，而频率计的研究工作更具有重大的科研意义。由于大规模和超大规模数字集成电路技术、数据通信技术与单片机技术的结合，数字频率计发展进入了智能化和微型化的新阶段。近年来，随着电子设计技术的飞速发展，数字电路的研究及应用出现了广阔的空间。利用FPGA（FieldProgrammableGateArray）的设计软件可以将设计好的程序“烧写”到FPGA器件中，如同自行设计集成电路一样，可以节省电路开

2、发的费用与时间。Altera公司提供的QuartusII软件进行FPGA设计开发流程，根据设计需要可以进行原理图、硬件描述语言进行设计，并进行编译仿真，配合Modelsim仿真软件测试设计功能的实现。1.2本课题主要研究内容传统频率计设计用到的器件较多，连线比较复杂，而且会产生比较大的延时，造成测量误差、可靠性差。随着可编程逻辑器件（CPLD/FPGA）的广泛应用，以EDA工具作为开发手段，运用硬件描述语言（VHDL/Verilog），将使整个系统大大简化，提高整体的性能和可靠性。而本课题正是采用硬件描述语言对数字频率计进行设计，整个

3、系统非常精简，而且具有灵活的现场可更改性，在不更改硬件电路的基础上，可以对系统进行各种改进来进一步提高系统的性能，因此该数字频率计具有精确、可靠、和现场可编程等优点。本设计所能达到的技术指标如下：1.能测量输入信号的频率范围为1hz～99Mhz；2.波形可以是方波等任何有固定频率的信号；3.运用硬件描述语言和原理图法进行设计；4.运用QuartusII软件进行设计和Modelsim软件仿真。120第2章FPGA开发相关知识简介2.1FPGA的介绍FPGA是现场可编程门阵列（FieldProgrammableGateArray）的简称。

4、FPGA器件及其开发系统是开发大规模数字集成电路的新技术。它利用计算机辅助设计，绘制出实现用户逻辑的原理图、编辑布尔方程或用硬件描述语言等方式作为设计输入；然后经一系列转换程序、自动布局布线、模拟仿真的过程；最后生成配置FPGA器件的数据文件，对FPGA器件初始化。这样就实现了满足用户要求的专用集成电路，真正打到了用户自行设计、自行研制和自行生产集成电路的目的。总的来说，FPGA器件具有下列优点：高密度、高速度、系列化、标准化、小型化、多功能、低功耗、低成本、，设计灵活方便，可无限次反复编程，并可现场模拟调试验证。使用FPGA器件，一

5、般可在几天到几周内完成一个电子系统的设计和制作，可以缩短研制周期，达到快速上市和进一步降低成本的要求。FPGA的基本特点主要有：1.采用FPGA设计ASIC电路，用户不需要投片生产就能得到合用的芯片；2.FPGA可做其它全定制或半定制ASIC电路的中试样片。3.FPGA内部有丰富的触发器和引脚；4.FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一；5.FPGA采用高速CMOS工艺，功耗低，可以与CMOS、TTL电平兼容。FPGA是由存放在片内RAM中的程序来设置其工作状态的，因此，工作时需要对片内的RAM进行编程

6、。用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。120加电时，FPGA芯片将EPROM中数据读入片内编程RAM中，配置完成后，FPGA进入工作状态。掉电后，FPGA恢复成白片，内部逻辑关系消失，因此，FPGA能够反复使用。FPGA的编程无须专用的FPGA编程器，只须用通用的EPROM、PROM编程器即可。当需要修改FPGA功能时，只需换一片EPROM即可。这样，同一片FPGA，不同的编程数据，可以产生不同的电路功能。因此，FPGA的使用非常灵活。2.2FPGA开发环境2.2.1软件开发环境——QuartusII的介绍QuartusI

7、I是Altera提供的FPGA/CPLD开发集成环境，Altera是世界最大可编程逻辑器件供应商之一。QuartusII是Altera前一代FPGA/CPLD集成环境MAX+plusII的更新换代产品，其界面友好、使用便捷。QuartusII是Altera公司的综合性PLD开发软件，支持原理图、VHDL、VerilogHDL以及AHDL（AlteraHardwareDescriptionLanguage）等多种设计输入形式，内嵌自有的综合器以及仿真器，可以完成从设计输入到硬件配置的完整PLD设计流程。QuartusII提供了一种与结构

8、无关的设计环境，使设计者能方便的进行设计输入、快速处理和器件编程。QuartusII包含许多十分有用的LPM（LibraryofParameterizedModules）模块，它们是复杂或高级系统建构的重要组成成分。本设