1、VHDL數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計與測試第三次作業(yè)數(shù)字頻率計設(shè)計 一、 設(shè)計功能要求1. 用VHDL完成12位十進制數(shù)字頻率計的設(shè)計及仿真。2. 頻率測量范圍：1Hz10KHz，分成兩個頻段，即1999Hz，1KHz10KHz，用三位數(shù)碼管顯示測量頻率，用LED顯示表示單位，如亮綠燈表示Hz，亮紅燈表示KHz。3. 具有自動校驗和測量兩種功能，即能用標(biāo)準(zhǔn)時鐘校驗、測量精度。4. 具有超量程報警功能，在超出目前量程檔的測量范圍時，發(fā)出燈光和音響信號。二、 設(shè)計思路基本原理：計算單位時間內(nèi)待測信號的脈沖個數(shù)。具體方法是，使用一個頻率穩(wěn)定度高的頻率源作為基準(zhǔn)時鐘，來對比測量其他信號的頻率。單位時間可設(shè)置為大于或小

2、于一秒。閘門時間越長，頻率值越準(zhǔn)確，但閘門時間越長，每次測量頻率的間隔也就越長。閘門時間越短，測量的頻率值刷新越快，但將影響到測量的頻率精度。每次測量時,采用時基信號產(chǎn)生的閘門信號啟動計數(shù)器來對輸入的脈沖信號計數(shù)：閘門信號結(jié)束則將計數(shù)結(jié)果送入鎖存器，然后計數(shù)器清零，準(zhǔn)備下次計數(shù)。三、 原理圖說明圖1原理框圖如圖1所示，按照系統(tǒng)功能數(shù)字頻率計分為六個模塊：1測量/校驗選擇模塊(test_meas)2測頻控制信號發(fā)生器（二分頻）(clk_process)3計數(shù)器模塊(cnt_process)4送存選擇、報警模塊(tostore_process)5鎖存模塊(store_process)6掃描顯示模塊

3、(cnt3_process,bus_process, disp_process)另外，還要加上LED七段譯碼模塊。2、各模塊功能圖2測量校驗選擇如圖2為測量/校驗選擇模塊，該模塊的信號如下：輸入信號：選擇信號selet，被測信號meas，測試信號test；輸出信號：CP1。當(dāng)selet=0時，為測量狀態(tài)，CP1=meas；當(dāng)selet=1時，為校驗狀態(tài)，CP1=test。校驗與測量共用一個電路，只是被測信號CP1不同而已。圖3測頻控制信號發(fā)生器（二分頻）如圖3為測頻控制信號發(fā)生器（二分頻），該模塊的信號如下：輸入信號：1HZ時鐘信號；輸出信號：1秒定時信號（周期為2秒）。圖4計數(shù)器、送存選擇、

4、報警模塊1、如圖4為計數(shù)器、送存選擇、報警模塊，模塊的功能如下：設(shè)置：量程檔控制開關(guān)K，單位顯示信號Y，當(dāng)K=0時，為1999Hz量程檔，數(shù)碼管顯示的數(shù)值為被測信號頻率值，unit顯示綠色，即單位為Hz；當(dāng)K=1時，為1KHz10KHz量程檔被測信號頻率值為數(shù)碼管顯示的數(shù)值乘1000，unit顯示紅色，即單位為KHz。2、其中四級十進制計數(shù)器模塊（帶進位C）模塊功能如下：輸入信號：RD、CP，用于計數(shù)開始、清零、鎖存輸出信號：Q4Q1設(shè)置超出量程檔測量范圍示警信號alert。若被測信號頻率小于1KHz（K=0），則計數(shù)器只進行三級十進制計數(shù)，最大顯示值為999.Hz；如果被測信號頻率超過此范圍

5、，示警信號驅(qū)動燈光、揚聲器報警；若被測信號為1KHz10KHz（K=1），計數(shù)器進行四位十進制計數(shù)，取高三位顯示，最大顯示值為9.99KHz，如果被測信號頻率超過此范圍，報警。3、送存選擇、報警電路狀態(tài)表如表1。表1送存選擇、報警電路狀態(tài)表圖5鎖存，掃描顯示模塊圖5為鎖存、掃描顯示模塊，該模塊功能如下：鎖存器輸入信號：D3D1，LD；輸出信號：Q3Q1 ，小數(shù)點單位顯示unit。圖6掃描顯示電路如圖6掃描顯示電路，該模塊包含兩個模塊：七段顯示譯碼器電路（DEC_LED）；分時總線切換電路（SCAN）。四、 VHDL源代碼說明-實體聲明-library IEEE;use IEEE.STD_LOG

6、IC_1164.ALL;use IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;entity dig_frq is Port ( clk1hz : in STD_LOGIC; -分頻時鐘clk1hz clkscan : in std_logic;-掃描時鐘clkscan test : in STD_LOGIC;-測試信號test meas : in STD_LOGIC;-被測信號meas sel : in STD_LOGIC;-測試校驗選擇鍵sel k : in STD_LOGIC;-單位選擇鍵K alert : out STD

7、_LOGIC;-報警信號alert unit : out STD_LOGIC;-單位顯示信號unit ms123 : out STD_LOGIC_VECTOR (2 downto 1);-數(shù)碼管選擇信號ms123 led : out STD_LOGIC_VECTOR (8 downto 1);-數(shù)碼管信號ledend dig_frq;-結(jié)構(gòu)體說明-architecture Behavioral of dig_frq issignal cp1:std_logic;signal clk05hz:std_logic:=0;signal cp:std_logic;signal rd:std_logic

8、:=1;signal c:std_logic;signal q4,q3,q2,q1:std_logic_vector(4 downto 1):=0000;signal load:std_logic:=0;signal d3,d2,d1:std_logic_vector(4 downto 1):=0000;signal data3,data2,data1:std_logic_vector(4 downto 1):=0000;signal disp:std_logic_vector(4 downto 1):=0000; signal ms123_s:STD_LOGIC_VECTOR (2 down

9、to 1);begin-時鐘電路，1hz信號二分頻產(chǎn)生0.5hz信號，1s高電平，1s低電平-clk_process:process(clk1hz) beginif(clk1hzevent and clk1hz=1)thenclk05hz=not clk05hz;end if;end process;-測試、校驗選擇模塊-test_meas:process(sel,meas,test)beginif(sel=1)thensel為1時cp1為測試信號cp1=meas;elsesel為0時cp1為校驗信號cp1=test;end if;end process;-鎖存的加載信號load，當(dāng)分頻信號c

10、lk05hz上升沿時有效load=not clk05hz;cp=clk05hz and cp1;-計數(shù)清零信號rd，當(dāng)分頻信號clk05hz為0時有效rd=clk05hz;-四位bcd計數(shù)電路-cnt_process:process(cp,rd)variable q4_s,q3_s,q2_s,q1_s:integer range 0 to 9;variable c_s:integer range 0 to 1;beginif(rd=0)thenq4_s:=0;q3_s:=0;q2_s:=0;q1_s:=0;c_s:=0;elsif(cpevent and cp=1)thenif(q4_s=9

11、and q3_s=9 and q2_s=9 and q1_s=9 and c_s=1)thenq4_s:=0;q3_s:=0;q2_s:=0;q1_s:=0;c_s:=0;elsif(q4_s=9 and q3_s=9 and q2_s=9 and q1_s=9)thenq4_s:=0;q3_s:=0;q2_s:=0;q1_s:=0;c_s:=1;elsif(q3_s=9 and q2_s=9 and q1_s=9)thenq4_s:=q4_s+1;q3_s:=0;q2_s:=0;q1_s:=0;elsif(q2_s=9 and q1_s=9)thenq3_s:=q3_s+1;q2_s:=0;

12、q1_s:=0;elsif(q1_s=9)thenq2_s:=q2_s+1;q1_s:=0;elseq1_s:=q1_s+1;end if;end if;q4=conv_std_logic_vector(q4_s,4);q3=conv_std_logic_vector(q3_s,4);q2=conv_std_logic_vector(q2_s,4);q1=conv_std_logic_vector(q1_s,4);if(c_s=0)thenc=0;else c=1;end if;end process;-送鎖存電路-tostore_process:process(q4,q3,q2,q1,c,k

13、)beginif(k=0)then-當(dāng)計數(shù)單位選擇k為0時，輸出計數(shù)器的低三位d3=q3;d2=q2;d10000 or c0)then-此時，當(dāng)計數(shù)超過三位bcd數(shù)時，報警信號置1alert=1;elsealert=0;end if;elsif(k=1)then-當(dāng)計數(shù)單位選擇k為1時，輸出計數(shù)器的高三位d3=q4;d2=q3;d10)then-此時，當(dāng)計數(shù)超過四位bcd數(shù)時，報警信號置1alert=1;else alert=0;end if;end if;end process;-鎖存電路store_process:process(load,d1,d2,d3,k)beginif(loade

14、vent and load=1)then-加載信號load下降沿時，鎖存數(shù)據(jù)data3=d3;data2=d2;data1=d1;if(k=0)then -當(dāng)單位選擇鍵K為0時，單位unit置0，顯示綠色unit=0;Else -當(dāng)單位選擇鍵K為1時，單位unit置1，顯示紅色unit=1;end if;end if;end process;-計數(shù)到3的計數(shù)器，產(chǎn)生數(shù)碼管選擇信號cnt3_process:process(clkscan)variable cnt:integer range 0 to 2:=0;beginif(clkscanevent and clkscan=1)thenif(c

15、nt=2)thencnt:=0;elsecnt:=cnt+1;end if;end if;ms123_s disp disp disp disp=data1;end case;end if;end process;ms123ledledledledledledledledledledled=00111111;end case;if(ms123_s=00 and k=0)thenled(8)=1;elsif(ms123_s=10 and k=1)thenled(8)=1;else led(8)=0;end if;end process;end Behavioral;五、 代碼說明測量/校驗選擇模

16、：通過選擇信號sel來選擇被測信號meas和test，輸出信號cp1當(dāng)sel=0時，cp1=meas；當(dāng)sel=1時，cp1=test。測頻控制信號發(fā)生器（二分頻）模塊：輸入1HZ時鐘信號，經(jīng)分頻輸出信號為1秒定時信號（周期為2秒）計數(shù)器模塊、送存選擇、報警模塊：在load為高時開始計數(shù)，為低時清零，q4q1設(shè)置超出量程檔測量范圍示警信號alert。若被測信號頻率小于1KHz（K=0），則計數(shù)器只進行三級十進制計數(shù)，最大顯示值為999.Hz；如果被測信號頻率超過此范圍，示警信號驅(qū)動燈光、揚聲器報警；若被測信號為1KHz10KHz（K=1）。計數(shù)器進行四位十進制計數(shù)，取高三位顯示，最大顯示值為9

17、.99KHz，如果被測信號頻率超過此范圍，報警。鎖存器模塊：當(dāng)load為低時，即ld為高時，鎖存d1d3。掃描顯示模塊：在每個時鐘的上升邊將會改變對三個數(shù)碼管的掃描選通。總的輸出為數(shù)碼管選通信號sel（三位），輸出到三個七段數(shù)碼管的控制端。分時選通個、十、百位的數(shù)碼管并將相應(yīng)要顯示的數(shù)據(jù)led（七位）輸出到七段顯示譯碼模塊，由此實現(xiàn)數(shù)碼管的動態(tài)掃描顯示。由于時鐘比計數(shù)頻率快所以感覺三個數(shù)碼管總是亮著的。六、 仿真結(jié)果與說明1. 仿真環(huán)境QuartusII9.0sp2環(huán)境2. 仿真波形（1）二分頻電路及測試校驗選擇電路仿真結(jié)果：說明：clk1hz一個時鐘產(chǎn)生一個clk05hz電平，clk05hz電平高低交替。sel為0時，cp1為測試信號meas，sel為1時，cp1為校驗信號test。當(dāng)clk05hz為1，被計數(shù)信號cp為cp1，當(dāng)clk05hz為0，被計數(shù)信號cp為0；（2） 鎖存及顯示電路仿真結(jié)果：K為1K為0說明：當(dāng)鍵K為1時，對bcd計數(shù)的高三位輸出，當(dāng)計數(shù)未超出9999時，報警信號輸出為0。當(dāng)鍵K為0時，對bcd計數(shù)的低三位鎖存；ms123為0，1,2時分別顯示個位，十位，百位，當(dāng)單位選擇鍵k為1時，單位顯示unit為 1（紅燈），且百位數(shù)據(jù)DB高位dot位為1。實驗總結(jié)：這種結(jié)構(gòu)體的編程，做起來比較簡單，但容易讓