实验六：数字频率计的设计

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1、南昌大学实验报告学生姓名：学号：专业班级：实验类型:□验证□综合▉设计□创新实验日期：12.14__实验成绩：实验五数字频率计的设计一、实验目的1.了解直接测频的方法和原理。2.掌握如何在FPGA内部设计多种功能模块。3.掌握VHDL在测量模块设计方面的技巧。二、实验原理所谓频率就是周期性信号在单位时间（1s）内变化的次数。若在一定时间间隔T（也称闸门时间）内测得这个周期性信号的重复变化次数为N，则其频率可表示为f＝N/T由上面的表示式可以看到，若时间间隔T取1s，则f＝N。由于闸门的起始和结束的时刻对于信号来说是随机的，将会有一个脉冲周期的量化误差。进一步

2、分析测量准确度：设待测信号脉冲周期为Tx，频率为Fx，当测量时间为T=1s时，测量准确度为δ=Tx/T=1/Fx。由此可知这种直接测频法的测量准确度与被测信号的频率有关，当待测信号频率较高时，测量准确度也较高，反之测量准确度较低。因此，这种直接测频法只适合测量频率较高的信号，不能满足在整个测量频段内的测量精度保持不变的要求。若要得到在整个测量频段内的测量精度保持不变的要求，应该考虑待精度频率测量等其它方法。等精度频率测频的实现方法，可以用图17-1所示的框图来实现。图17-1等精度测频实现框图本实验采用直接测频法进行频率测量。闸门时间固定为1s，闸门信号是一

3、个0.5Hz的方波，在闸门有效（高电平）期间，对输入的脉冲进行计数，在闸门信号的下降沿时刻，所存当前的计数值，并且清零所有的频率计数器。显示的内容是闸门下降沿时锁存的值。因为闸门时间我们设定为1s，所以这种频率计仅能测出频率大于或者等于1Hz的情况，且频率越高，精度也越高。实际应用中，频率计的闸门时间是个可变量，当频率小于1Hz时，闸门时间就要适当放大。采用一个标准的时钟，在单位时间内如：0.1秒对被测信号的脉冲进行计数，即为信号的频率。在设计频率计的时候，八个七段码管最多可以显示99,999,999Hz，因此在设计时候用八个4位二进制码（BCD码）来表示，

4、另外还必须有同样的八个4位二进制码来对输入的频率进行计数，在闸门下降沿的时候，将后者的值锁存到寄存器中。其信号的时序关系如下图17-2所示：图17-3控制信号时序关系三、实验内容本实验要完成的任务就是设计一个频率计，系统时钟选择核心板上的50M的时钟，闸门时间为1s（通过对系统时钟进行分频得到），在闸门为高电平期间，对输入的频率进行计数，当闸门变低的时候，记录当前的频率值，并将频率计数器清零，频率的显示每过2秒刷新一次。外部CLR清零信号可以使当前寄存值清零。其实现框图如下图17-3所示：外部CLR清零在本实验中，用到的模块有数字信号源模块、按钮开关模块、5

5、0M系统时钟源模块、数码管显示模块等。其中数码管、数字信号源、按钮开关与FPGA的连接电路和管脚连接这里不在赘述。50M系统时钟源的模块位于EP2C35核心板的中上方通过一个贴片的50M有源晶体来产生50MHZ的时钟信号，其与FPGA的管脚连接如表17-1所示。表17-150M系统时钟与FPGA的管脚连接表信号名称对应FPGA管脚名说明系统时钟源A13（GCLK9）50MHZ系统时钟四、实验步骤1、打开QUARTUSII软件，新建一个工程。2、建完工程之后，再新建一个VHDLFile，打开VHDL编辑器对话框。3、按照实验原理和自己的想法，在VHDL编辑窗口

6、编写VHDL程序，本实验共分为5个模块，每一个模块源程序完成一定的功能。其具体的功能如下表17-2：表17-2示例程序功能表文件名称完成功能P1产生1HZ的闸门信号和1KHZ的显示扫描信号P2在时钟的作用下生成测频的控制信号P3十进制计数器，用32位来显示8个4位BCD数P432位的锁存器，在锁存控制信号的作用下，将计数的值锁存P5显示译码，将锁存的数据显示出来实验程序如下所示：---------------------------------------Title:源程序p1--Author:参考自网上--Data:2012-12-8-----------

7、------------------------------------------------------------------------------------------------LIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USEIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITYp1ISPORT(clk50m:INSTD_LOGIC;--50M系统时钟输入clk1kHZ:OUTSTD_LOGIC;--1KHZ显示扫描时钟输出clk1HZ:OUTSTD_LOGIC);--1HZ闸门信号产生ENDp

8、1;ARCHITECTUREbehaveOFp1IS