基于EDA技术的频率计系统设计

频率计的基本原理是用一个频率稳定度高的频率源作为基准时钟，对比测量其他信号的频率。通常情况下计算每秒内待测信号的脉冲个数，此时我们称闸门时间为1秒。闸门时间也可以大于或小于一秒。闸门时间越长，得到的频率值就越准确，但闸门时间越长则每测一次频率的间隔就越长。闸门时间越短，测的频率值刷新就越快，但测得的频率精度就受影响。通过两种不同的设计思路，设计两个不同的频率计，通过观察实验结果，得出频率计精度，作出对比。在此次设计中，均以1秒为闸门时间，在该时间内计算待测信号的脉冲个数，并显示频率值。

4.2 基于FPGA的数字频率计的设计与实现

4.2.1 顶层模块设计

目前，FPGA的设计方法主要有两种，自下而上的设计方法与自上而下的设计方法。另外。还可根据实际情况，利用这两种方法的组合进行综合设计，即综合设计方法。自下而上的设计方法是一种传统的电子系统设计方法，它们的设计流程分别如下所示：

图4-1 自下而上的设计方式

图4-2 自上而下的设计方式

所以，在本系统，我们也将对其进行自顶向下的设计方法，其顶层代码如下所示：

LIBRARY IEEE;
USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
ENTITY FREQ IS
 
PORT(FSIN:IN STD_LOGIC;
     CLK:IN STD_LOGIC;
     DOUT:OUT STD_LOGIC_VECTOR(31 DOWNTO 0));
END ENTITY FREQ;
 
ARCHITECTURE ART OF FREQ IS
COMPONENT CNT10 IS
 
PORT(CLK,CLR,ENA:IN STD_LOGIC;
     CQ:OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);
     CARRY_OUT:OUT STD_LOGIC);
END COMPONENT CNT10;
 
COMPONENT REG32B IS
 
PORT(LOAD:IN STD_LOGIC;
     DIN:IN STD_LOGIC_VECTOR(31 DOWNTO 0);
     DOUT:OUT STD_LOGIC_VECTOR(31 DOWNTO 0));
END COMPONENT REG32B;
 
COMPONENT TESTCTL IS
 
PORT(CLK:IN STD_LOGIC;
     TSTEN:OUT STD_LOGIC;
     CLR_CNT:OUT STD_LOGIC;
     LOAD:OUT STD_LOGIC);
 
END COMPONENT TESTCTL;
SIGNAL SE,SC,SL:STD_LOGIC;
SIGNAL S1,S2,S3,S4,S5,S6,S7,S8:STD_LOGIC;
SIGNAL SD:STD_LOGIC_VECTOR(31 DOWNTO 0);
BEGIN
U0:TESTCTL PORT MAP(CLK=>CLK,TSTEN=>SE,CLR_CNT=>SC,LOAD=>SL);
U1:CNT10 PORT MAP(CLK=>FSIN,CLR=>SC,ENA=>SE,
                  CQ=>SD(3 DOWNTO 0),CARRY_OUT=>S1);
U2:CNT10 PORT MAP(CLK=>S1,CLR=>SC,ENA=>SE,
                  CQ=>SD(7 DOWNTO 4),CARRY_OUT=>S2);
U3:CNT10 PORT MAP(S2,SC,SE,SD(11 DOWNTO 8),S3);
U4:CNT10 PORT MAP(S3,SC,SE,SD(15 DOWNTO 12),S4);
U5:CNT10 PORT MAP(S4,SC,SE,SD(19 DOWNTO 16),S5);
U6:CNT10 PORT MAP(S5,SC,SE,SD(23 DOWNTO 20),S6);
U7:CNT10 PORT MAP(S6,SC,SE,SD(27 DOWNTO 24),S7);
U8:CNT10 PORT MAP(S7,SC,SE,SD(31 DOWNTO 28),S8);
U9:REG32B PORT MAP(LOAD=>SL,DIN=>SD(31 DOWNTO 0),DOUT=>DOUT);
END ARCHITECTURE ART;

4.2.2计数器模块

该十进制计数模块由八个一位十进制计数器组成，计数器的特殊之处是，有一个时钟使能输入端ENA，用于锁定计数值。当高电平是计数允许，低电平时计数禁止。

该测频的八位十进制频率计的计数模块，先通过VHDL语言编写一位十进制计数器，再将其原件例化后搭建一个八位十进制计数模块。

LIBRARY IEEE;
USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
ENTITY CNT10 IS
PORT(CLK:IN STD_LOGIC;
     CLR:IN STD_LOGIC;
     ENA:IN STD_LOGIC;
     CQ:OUT INTEGER RANGE 0 TO 15;
     CARRY_OUT:OUT STD_LOGIC);
END ENTITY CNT10;
ARCHITECTURE ART OF CNT10 IS
SIGNAL CQI:INTEGER RANGE 0 TO 15;
BEGIN
PROCESS(CLK,CLR,ENA)IS
BEGIN
IF CLR='1'THEN CQI<=0;
ELSIF CLK'EVENT AND CLK='1'THEN
IF ENA='1'THEN
IF CQI<9 THEN CQI<=CQI+1;
ELSE CQI<=0;END IF;
END IF;
END IF;
END PROCESS;
PROCESS(CQI) IS
BEGIN
IF CQI=9 THEN CARRY_OUT<='1';
ELSE CARRY_OUT<='0';END IF;
END PROCESS;
CQ<=CQI;
END ARCHITECTURE ART;

4.2.3数字锁存模块

锁存模块由锁存器构成，主要功能是数据的稳定显示，不会由于周期行的清零信号而不断闪烁。在信号LOAD的上升沿后即被所存到寄存器的内部，并由锁存器的输出端输出，然后由实验板的7段译码器译成能在数码管上显示的相对应的数值。

LIBRARY IEEE;
USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
ENTITY REG32B IS
PORT(LOAD:IN STD_LOGIC;
     DIN:IN STD_LOGIC_VECTOR(31 DOWNTO 0);
     DOUT:OUT STD_LOGIC_VECTOR(31 DOWNTO 0));
END ENTITY REG32B;
ARCHITECTURE ART OF REG32B IS
BEGIN
PROCESS(LOAD,DIN) IS
BEGIN
IF LOAD'EVENT AND LOAD='1' THEN DOUT<=DIN;
END IF;
END PROCESS;
END ARCHITECTURE ART;

    最后我们开始系统的仿真，由于在仿真过程中，1S钟时间将会仿真很长时间，所以我们考虑缩短仿真时间，我们首先假设系统时钟频率1hz对于设置参数为如下所示（左图），而输入的被测试信号的频率为（右图）：

图4-5 参数设置一

这里表示输入的时钟是系统时钟的10倍，即10hz，那么其仿真结果为：

图4-6 系统仿真结果

检测到信号的频率为10hz。

 下面再做两次仿真：

图4-7 参数设置二

这里表示输入的时钟是系统时钟的100倍，即100hz，那么其仿真结果为：

图4-7 系统仿真结果

图4-8 参数设置三

这里表示输入的时钟是系统时钟的1000倍，即1khz，那么其仿真结果为：

图4-9 系统仿真结果

    由于MAXPLUSII软件内部其最大设置为32000，因此在该系统中，我们无法仿真10Mhz的效果，但是其实际上由于显示的是8位，即10M。那么在实际的应用中，我们可以测量到10Mhz的信号。