数字频率计设计

[导读]数字频率计设计 一、实验目的

数字频率计设计

一、实验目的

1.熟悉CPLD的开发软件的基本使用。

2.理解频率计的测量原理。

3.掌握CPLD逻辑电路设计方法。

4.掌握虚拟数字频率计的软件设计。

二、实验任务和内容

1. 在CPLD中设计一个数字频率计电路，设计要求为： 测量范围：1Hz～1MHz, 分辨率<10－4>, 数码管动态扫描显示电路的CPLD下载与实现。

2.使用LabVIEW进行虚拟频率计的软件设计。要求设计软件界面，闸门时间为4档，1s,100ms,10ms,1ms,频率数字显示。

3．使用设计虚拟逻辑分析仪软件和CPLD电路，进行软硬件调试和测试

三、实验器材

1. SJ-8002B电子测量实验箱 1台

2．计算机(具有运行windows2000和图形化控件的能力) 1台

3．函数发生器 1台

4.SJ-7002 CPLD实验板 １块

5.短接线若干

四、实验原理

4.1.测频原理

所谓“频率”，就是周期性信号在单位时间变化的次数。电子计数器是严格按照f＝N/T的定义进行测频，其对应的测频原理方框图和工作时间波形如图1 所示。从图中可以看出测量过程：输入待测信号经过脉冲形成电路形成计数的窄脉冲，时基信号发生器产生计数闸门信号，待测信号通过闸门进入计数器计数，即可得到其频率。若闸门开启时间为T、待测信号频率为fx，在闸门时间Ｔ内计数器计数值为N，则待测频率为

fx = N/T (1)

若假设闸门时间为1s，计数器的值为1000，则待测信号频率应为1000Hz或1.000kHz，此时，测频分辨力为1Hz。

本实验的闸门时间分为为4档：1s,100ms,10ms,1ms。

图1 测频原理框图和时间波形

4．2 数字频率计组成

本实验要求的数字频率计组成如图2所示，频率计的硬件电路（图1所示）在CPLD芯片中实现，测量结果通过实验箱提供的EPP通信接口送给计算机，频率计的软件和人机界面由计算机完成，同时计算机还可输出清零和闸门选择的控制信号给电路。

本实验的任务一是在提供的CPLD实验板上设计和实现频率计测量电路，二是在计算机上使用LabVIEW软件设计频率计界面和程序。

图2 数字频率计组成框图

4.3 CPLD特点和设计流程

CPLD器件是由用户配置以完成某种逻辑功能的电路，本CPLD实验电路板选用ALTERA公司的EPM7128SLC84器件，其特点为：84引脚Pin，内部有128个宏单元、2500个等效逻辑门、15ns的速度、PLCC84封装形式。除电源引脚、地线引脚、全局控制引脚和JTAG引脚外，共提供了64个可用I/O脚，这些引脚可以任意配置为输入、输出和双向方式。

CPLD的设计流程如图3所示，本实验采用的设计软件为ALTERA公司的Quartus Ⅱ，下载方式采用的是并口电缆ByteBlaster。下载时的硬件设置操作如图4所示。

图3 CPLD设计流程和并行电缆下载示意图

图4 下载时的硬件设置选ByteBlaster

4.4 CPLD实验电路板

1）数字信号输入：8个ON～OFF(K1～K8)开关

2) 数字信号输出（显示）：8个LED灯(LED1～LED8)，低电平点亮

3) 6个LED 7段数码管，采用动态扫描方式，L1、L2、L3为位选信号，低有效，A、B、……、G为7段码，DP为小数点，均为低有效。

4） 时钟晶振：频率为1MHz，已连接到CPLD的时钟引脚

注：使用CPLD板的1.000MHz的晶振时钟，需放置CPLD板上S1短路块位置在右面。

电路图如下：

图6 CPLD实验板电路原理图

五、设计指导：

分为CPLD硬件电路设计和虚拟频率计软件设计两部分

5.1 CPLD硬件电路设计

CPLD设计和调试的过程是：①任务分析，层次分解，得到顶层设计框图，大致确定每个子模快（子电路）的功能、输入和输出；②子模快电路设计和软件仿真；③完成顶层电路设计，顶层仿真；④分配引脚，下载，连线和调试。

5.1.1设计任务分析和顶层设计

根据设计任务，可分为四大部分：

（1）闸门时间和测量控制：闸门时间分别为1s,100ms,10ms,1ms，由1MHz的基准时钟分别产生1Hz,10Hz,100Hz，1kHz的时基信号作为闸门控制信号，同时控制测量结果的锁存。

（2）多位计数器电路：根据闸门时间最长为1秒，被测信号频率最高为1MHz，所以选用6位十进制计数器，保证测量计数器不溢出。6位十进制的计数器对被测信号的脉冲进行计数，输出6位十进制计数值，每位都用4位BCD码表示，共有24根线。每次测量开始前清零计数值。

（3）计数结果锁存和实验箱接口：在每次测量闸门时间到时使用锁存器锁存计数值（6位BCD码），供计算机读数。

（4）计数结果6位数码管动态显示电路： 设计一个6位BCD选1的多路数据选择器，输出的一位BCD码（4根线）送给BCD－七段译码器译成段信号，从CPLD输出给数码管的7段。同时多路数据选择器的控制选通信号需要3根，必须与6位数码管的位选信号同步。位选信号来自电路板的时钟（1MHz）分频，在用译码器译码（每次只能选中一个数码管）。要保证多位显示均匀和不闪烁，请计算和设计分频的频率和电路。

根据CPLD电路的层次化设计功能，设计出如图7所示的顶层设计框图。

图7 频率计顶层设计框图

5.1．2 部分电路设计提示

电路的设计均有原理图设计和HDL语言文本设计两种方法，根据电路的特点和各人的情况，自己选用。

对每个子模快进行软件仿真，先创建波形文件，设定时间间隔和解释时间，编辑输入波形，运行仿真，分析结果是否正确。若不正确，则修改设计，重新编译后，再仿真，直到正确为止。

（1）闸门时间和测量控制： 闸门时间分别为1s,100ms,10ms,1ms，由1MHz的基准时钟分别产生1Hz,10Hz,100Hz，1kHz的时基信号作为闸门控制信号，使用CPLD实验板上的1MHz时钟信号，经过1000分频得到1kHz信号，在经过10分频得到100Hz信号，在经过10分频得到10Hz信号，在经过10分频得到1Hz信号。设计时，先设计一个10分频电路，级联3个，得到1000分频，级联一个，得到10分频。闸门时间选择共4档（1s,100ms,10ms,1ms），可采用数据选择器实现，需要2根从计算机来的控制信号。闸门时间产生电路，设计一个电平有效清零端，作为启动测量或停止测量，由计算机通过实验箱来控制。闸门时钟经过D触发器2分频，得到闸门时间内为高电平的信号，作为测量计数结果的锁存控制信号。闸门时钟和显示时钟产生测量计数器的清零信号。

(2)多位十进制的计数器子模块设计：

没有现成电路可用，所以必须自己设计。

为什么不选用二进制计数器（从显示要求、二进制转换为BCD电路的难易等考虑）

设计方法一：选用6个1位的可逆带清零十进制计数器级联得到。注意进位/借位信号的时序。

设计方法二：使用HDL语言编程，注意同时满足十进制、加、减的进位和借位。

（3）计数结果锁存和实验箱接口：

在每次测量闸门时间到时使用锁存器锁存计数值（6位BCD码），供计算机读数。采用3个8位的锁存器74273，输入锁存由闸门时间控制，输出长选通，连接实验箱提供的3个数字I/O口，工作在输入方式。

（4）计数结果6位数码管动态显示电路：

由6位BCD选1电路、BCD－七段译码器、位选电路组成，其中为选电路又包括分频电路、为选控制和为选译码电路。

①6位BCD选1的多路数据选择器设计：

没有现成电路可用，所以必须自己设计。

可选用多个数据选择器来组合。要求控制选通信号需要3根，按000－001－010－011－100－101变化，只有6个状态。

②BCD－七段译码器设计：

有现成电路选用，注意共阴和共阳数码管的区别。

③位选信号产生

分频电路：位选信号来自电路板的时钟（1MHz）分频，要保证多位显示均匀和不闪烁，先计算分频电路要求的输出频率，再设计分频电路。可使用计数器分频。也可直接借用闸门时间电路的分频信号。

位选控制：要求为6个状态，设计电路可采用状态机的方法，但仔细分析6个状态之间的关系后，可得出符合_________的计数器。

设计方法：语言和图形均可。

位选译码：每次选中一个，可选用什么译码器？注意位选电平是高电平有效还是低电平有效。

5.1.3 分配引脚和编译、下载

用户可用引脚见表2，引脚分配要满足CPLD电路板上已有的连线情况，考虑芯片引脚和外围电路的位置，就近分配。如输入被测信号在右边，输出7段码和位选在左边。与计算机和实验箱的连接遵照表2的规定。

每次分配引脚后，需重新编译后，再下载。

5.2 虚拟频率计软件设计

5.2.1虚拟频率计界面设计

软件界面上控制型控件有1个数字型旋钮用于选择闸门时间，分为1s,100ms,10ms,1ms 4档，两个按键，1个控制测量的启动/停止，1个控制整个程序退出。

指示型控件有3组，1个布尔型指示灯显示采样状态，1组显示测量的频率数值（十进制）和单位（字符串），单位有Hz和kHz两种，还有1组显示读取的3个字节的计数值（BCD码），由3个数字型控件组成。

图8 频率计界面

5.2.2程序流程图

图9 程序流程图

5.2.3 实验箱EPP接口和编程

SJ8002B实验箱本实验使用EPP地址和意义

地址功能和设置

本实验中的设置

00H：D7-D0

全局清零信号(在读数、采集、启动信号源之前都必须)? (00H?00)

EPP初始化时发清零信号

01H

D2-D0

小板控制使能(U019,U020,U021片选)，

0：禁止

1：使能

在本实验中需使能

02H

D2-D0

DO0-DO23数据方向控制

0：输入(外部à主板)

1：输出(主板à外部)

在本实验中都设为输入

03H

D7-D0

DO7-DO0数据

在本实验中作为计数值低字节

04H

D7-D0

DO15-DO8数据

在本实验中作为计数值中字节

05H

D7-D0

DO23-DO16数据

在本实验中作为计数值高字节

06H

D4-D0

DO28-DO24数据 (只有输出)

在本实验中作为测量控制和闸门选择

D25D24=00? 闸门时间为1ms

D25D24=01? 闸门时间为10ms

D25D24=10? 闸门时间为100ms

D25D24=11? 闸门时间为1s

D27=0? 停止测量

D27＝1? 启动测量

其余未用

对EPP接口的操作，调用以下3个子VI来完成：

（1）EPP初始化： epp_init.vi 调用时无参数。

(2) EPP写：epp_read_data.vi 调用是输入地址和数据，无输出参数

(3) EPP读：epp_read_data.vi ，调用是输入地址，输出数据。

5.2.3 数据转换和显示

测量计数值＝高字节×10000＋中字节×100＋低字节

测量结果＝计数值/闸门时间

编程时考虑不同档位时的数值、单位和有效位数。

六. 测试和调试

6.1 调试

（1）实验硬件连接

根据设计的频率计电路和分配的引脚连线，被测频率信号连接到函数发生器的TTL(CMOS)输出端。计数器的输出位选分别连接6个数码管的为选端L1～L6；注意左边的数码管为低位，7段信号分别连接。

图10 实验连线图

(2) 检查动态扫描电路

数码管7段信号全部直接接地，位选分别连接CPLD输出位信号，6个数码管稳定显示“888888”。

（3）软硬件联调：

允许虚拟频率计程序，输入信号的频率在10KHz，按下测量键，观察频率计的显示结果是否正确，如不正确，则检查程序，改正错误。

改变闸门时间，观察有效位数的变化，闸门时间为1秒时，有效位数最多。

改变输入信号的频率，继续测量和观察。