數字頻率計的設計
一、 實驗目的1、 了解等精度測頻的方法和原理。
2、 掌握如何在FPGA內部設計多種功能模塊。
3、 掌握VHDL在測量模塊設計方面的技巧。
二、 實驗原理
所謂頻率就是周期性信號在單位時間（1s）內變化的次數。若在一定時間間隔T（也稱閘門時間）內測得這個周期性信號的重復變化次數為N，則其頻率可表示為
f＝N/T
由上面的表示式可以看到，若時間間隔T取1s，則f＝N。由于閘門的起始和結束的時刻對于信號來說是隨機的，將會有一個脈沖周期的量化誤差。進一步分析測量準確度：設待測信號脈沖周期為Tx，頻率為Fx，當測量時間為T=1s時，測量準確度為δ=Tx/T=1/Fx。由此可知這種直接測頻法的測量準確度與被測信號的頻率有關，當待測信號頻率較高時，測量準確度也較高，反之測量準確度較低。因此，這種直接測頻法只適合測量頻率較高的信號，不能滿足在整個測量頻段內的測量精度保持不變的要求。若要得到在整個測量頻段內的測量精度保持不變的要求，應該考慮待精度頻率測量等其它方法。
等精度頻率測頻的實現方法，可以用圖4-19-1所示的框圖來實現。
圖4-19-1 等精度測頻實現框圖
所謂等精度是指該頻率計在所測量的整個頻段內部，均可實現相同精度的測量，即測量精度與頻率無關。圖中預置門信號通常為1s。其內部包括一個同步門電路，用來實現被測頻標與被測頻率的同步，提高測量精度，減少基本誤差。該部分與清零脈沖協調工作用來控制兩個計數器的啟動脈沖。計數器1和計數器2分別用來給頻標和被測數字脈沖計數，設在同步門控制結束時計數器1計數N1，計數器2計數N2，假設頻標頻率為F1，被測頻率位Fx，則可寫出公式：
Fx/N2=F1/N1；…………………（1）
Fx＝（F1/N1）* N2……………（2）
由公式可以看出，測量精度與預置門時間無關，主要由F1的頻率穩定度來確定，所以為了提高測量精度，主要是提高頻標的頻率穩定度，換句話說，測量精度基本上近似于頻標的穩定度，若頻標的穩定度位10－6，則測量誤差邊可達到10－6。在該電路中，為了確保頻標計數與被測頻率完全同步（即被測頻率的上升沿開始計數，1s以后，被測頻率的下跳沿停止計數），同步門必須由被測信號來控制，設計方法多種多樣，可由學生獨立完成。
本實驗采用直接測頻法進行頻率測量。閘門時間固定為1s，閘門信號是一個0.5Hz的方波，在閘門有效（高電平）期間，對輸入的脈沖進行計數，在閘門信號的下降沿時刻，所存當前的計數值，并且清零所有的頻率計數器。由于閘門時間是1s（0.5Hz方波），所以顯示的頻率是1s鐘更新一次，且顯示的內容是閘門下降沿時鎖存的值。
因為閘門時間我們設定為1s，所以這種頻率計僅能測出頻率大于或者等于1Hz的情況，且頻率越高，精度也越高。實際應用中，頻率計的閘門時間是個可變量，當頻率小于1Hz是，閘門時間就要適當放大。采用一個標準的時鐘，在單位時間內如：0.1秒對被測信號的脈沖進行計數，即為信號的頻率。
在設計頻率計的時候，八個七段碼管最多可以顯示99,999,999Hz，因此在設計時候用八個4位二進制碼（BCD碼）來表示，另外還必須有同樣的八個4位二進制碼來對輸入的頻率進行計數，在閘門下降沿的時候，將后者的值鎖存到寄存器中。其信號的時序關系如下圖4-19-2所示：
圖4-19-2 控制信號時序關系
三、 實驗內容
本實驗要完成的任務就是設計一個頻率計，系統時鐘選擇24MHZ的時鐘，閘門時間為1s（通過對系統時鐘進行分頻得到），在閘門為高電平期間，對輸入的頻率進行計數，當閘門變低的時候，記錄當前的頻率值，并將頻率計數器清零，頻率的顯示每過2秒刷新一次。其實現框圖如下圖4-19-3所示：
圖4-19-3 測頻實現框圖
四、 實驗步驟
1、打開QUARTUSII軟件，新建一個工程。
2、建完工程之后，再新建一個VHDL File，打開VHDL編輯器對話框。
3、按照實驗原理和自己的想法，在VHDL編輯窗口編寫VHDL程序，用戶可參照光盤中提供的示例程序。示例程序共提供6個VHDL源程序。每一個源程序完成一定的功能。其具體的功能如下表4-19-1：
| 文件名稱 | 完成功能 |
| CLKOUT.VHD | 產生1HZ的閘門信號和顯示掃描信號 |
| TELTCL.VHD | 在時鐘的作用下生成測頻的控制信號。 |
| CNT10.VHD | 十進制計數器。在實驗中使用8個來進行計數 |
| SEG32B.VHD | 32位的鎖存器，在鎖存控制信號的作用下，將計數的值鎖存 |
| DISPLAY.VHDL | 顯示譯碼，將鎖存的數據顯示出來。 |
4、編寫完VHDL程序后，保存起來。方法同實驗一。
5、將自己編寫的VHDL程序進行編譯并生成模塊符號文件，并對程序的錯誤進行修改，最終所有程序通過編譯并生成模塊符號文件。其具體方法請參照實驗六。
6、新建一個圖形編輯文件，將已生成的模塊符號文件放入其中，并根據要求邊接起來。
7、將自己編輯好的的程序進行編譯仿真，并對程序的錯誤進行修改，最終通過編譯。
8、編譯仿真無誤后，根據用戶自己的要求進行管腳分配。分配完成后，再進行全編譯一次，以使管腳分配生效。
9、根據實驗內容用實驗導線將上面管腳分配的FPGA管腳與對應的模塊連接起來。
如果是調用的本書提供的VHDL代碼，則實驗連線如下：
CLK：FPGA時鐘，接數字時鐘CLOCK1，并將其設為24MHZ。
CLKIN:被測頻率輸入信號，可以接時鐘源的其它時鐘。
LEDAG[6..0]：接數碼管的A、B、C、D、E、F、G。
SEL[2..0]：接數碼管的SEL2、SEL1、SEL0。
10、用下載電纜通過JTAG口將對應的sof文件加載到FPGA中。觀察實驗結果是否與自己的編程思想一致。
五、 實驗結果與現象
以設計的參考示例為例，當設計文件加載到目標器件后，從被測頻率輸入端口輸入一個時鐘信號，這時在數碼管上顯示這個時鐘信號的頻率值。。改變數字信號源的時鐘，看顯示的值是否與標值一致。
六、 實驗報告
1、 繪出仿真波形，并作說明。
2、 根據前面介紹的等精度頻率計的實現方法，寫出等精度頻率計的VHDL代碼。
3、 將實驗原理、設計過程、編譯仿真波形和分析結果、硬件測試結果記錄下來。