基于EDA技术的数字频率计芯片化的实现

总第 !" 卷 第 !#$ 期 电测与仪 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf %&’(!" )&(!#$ *$$! 年 第 !期 +’,-./0-1’ 2,134/,5,6. 7 863./45,6.1.0&6 9:/( *$$! 基于 !"#技术的数字频率计芯片化的实现 武卫华!陈德宏 !安徽工业大学 电信学院"安徽 马鞍山 *!;$$*# 摘要!介绍了一种以大规模可编程逻辑芯片为 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 载体!以硬件描述语言 %<=> 为设计 输入!采用模块化单元构建系统!进行数字频率计设计与开发的新方法" 关键词!频率测量#+=9 技术#%<=>语言#模块化结构 中图分类号!?2@;A("; 文献标识码!B 文章编号!"$$"C";@$"*$$!#$!D$$A*D$! E4 E,0F41"GF,6 =,F&6H I96F40 J60K,/30.L &M ?,-F6&’&HL"96F40 21N163F16 *!;$$*"GF061O #$%&’()&P?F03 :1:,/ 06./&Q4-,3 1 R06Q &M ,S.,630K, :/&H/1551T’, ’&H0- -F0: .& T, .F, Q,30H6 -1//0,/"%<=> 13 Q,30H6 06:4. 5,.F&Q .F1. -&4’Q Q,30H6 16Q Q,K,’&: .F, Q0H0.1’ -L5&5,.,/ TL 4306H 5&Q4’1/0U1.0&6 -,’’ Q,30H6 3L3.,5( *+, -.’/%PM/,V4,6-L 5,134/,5,6.#+=9 .,-F60V4,#%<=>#5&Q4’1/0U1.0&6 -&63./4-.0&6 01+ ’+(234(&3.5 .6 /373&(2 ),8.8+&+’ $(%+/ .5 !"# 9 引 言 频率检测是电子测量领域最基本的测量之一" 频 率信号抗干扰性强$易于传输!可以获得较高的测量 精度" 随着数字电子技术的发展!频率测量成为一项 越来越普遍的工作!测频原理和测频方法的研究受到 越来越多的关注" 本文在简述频率测量原理和方法的 基础上! 主要介绍基于 +=9 技术的数字频率计的设 计与实现过程" : 测频方法及测频原理 "(" 常用测频方法 根据测频工作原理可将频率测量方法分成以下 几类% 一是利用电路的某种频率响应特性来测量频 率!谐振测频法和电桥测频法是这类测量方法的典型 代表" 前者常用于低频段测量!后者主要用于高频或 微波频段的测量" 谐振法的优点是体积小$重量轻$不 要求电源等!目前仍获得广泛应用W二是利用 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 频率 和被测频率进行比较来测量频率! 采用比较 法测量频率! 其准确度取决于标准频率的准 确度" 拍频法$示波器法及差频法等均属此类 方法的范畴" 拍频法和示波器法主要用于低 频频率的测量# 差频法常用于高频频段的频 率测量!测试灵敏度高是它的显著优点" 还有 一类是目前最广泛使用的计数测频法! 该方 法是根据频率定义!记下单位时间内周期信号的重复 次数!又称做电子计数器测频法" 此方法的测量精确 度主要取决于基准时间和计数器的量化误差" 下面主 要讨论电子计数器测频的有关问题" "(* 计数法测频原理 根据定义!频率是周期信号在单位时间内的重复 次数" 电子计数器可以对一个周期信号发生的次数进 行计数" 假设某一信号在 !秒时间间隔内的重复次数 为 "次!则该信号的频率 #X" Y !" 因此!为测量周期信号的频率!就必须解决计数 和时间标准问题" 即!频率测量至少应包括计数电路 和时基电路两部分!智能测量方案中还必须有控制电 路环节" 图 ’所示为电子计数器测频方案框图" 图 " 中!电子计数单元在标准时间间隔内!对周 期信号的重复次数进行统计! 并将计数结果显示出 来" 为保证可靠计数!任何输入被测信号波形都要先 图 " 电子计数器测频方案框图 !"; ; 总第 !" 卷 第 !#$ 期 电测与仪表 %&’(!" )&(!#$ *$$! 年 第 ! 期 +’,-./0-1’ 2,134/,5,6. 7 863./45,6.1.0&6 9:/( *$$! 经过整形电路变换成脉冲或方波信号!然后累加计算 脉冲或方波波形的上升沿或下降沿" 时间基准电路的 作用是提供准确的计数闸门时间!一般由高稳定的晶 体振荡器经过分频整形获得!并由门控单元来决定时 基闸门的启闭时间! 即仅在这段时间内经 整形的被测信号才能通过时基闸门进行计 数" 控制电路是整个测频系统完成逻辑动 作的总指挥!其作用是控制#协调各单元电 路的工作程序!完成频率测量任务" ! "#$技术及其开发工具 电子设计自动化 +;9 $+’,-./&60- ;,30<6 94= .&51.0&6%是在 >9; 基础上发展起来的计算机辅助设 计系统! 是以大规模可编程逻辑器件为设计载体!以 硬件描述语言为系统设计的主要表达方式!以计算机 软硬件开发系统为设计工具!自动完成集成电子系统 设计的一门新技术" *(" +;9 技术基本特征 与早期的 >9; 相比!+;9 的自动化程度更高#功 能更完善#界面更友好!并且具有良好的数据开放性# 互换性和兼容性" +;9具有如下的基本特征& $"%硬件电路的软件设计方式" 设计输入可以是 原理图#波形#%?;@ 语言!下载配置前的整个过程几 乎不涉及任何硬件!而硬件设计的修改工作也如同修 改软件程序一样快捷方便!即通过软件方式的设计与 测试!达到对特定功能硬件电路的设计实现!体现了 硬件电路软件操作的新思路’ $*%自动化程度更高且直面产品设计" 利用计算 机!+;9 技术根据设计输入文件$?;@ 或电原理图%! 能自动进行逻辑编译#化简#综合#仿真#优化#布局# 布线#适配以及下载编程和生成目标系统" 即!将电子 产品从电路功能仿真#性能分析#优化设计到结果测 试的全过程在计算机上自动处理完成’ $A%集成化程度更高!可构建片上系统"+;9 设计 方法又称为基于芯片的设计方法" 随着大规模集成芯 片的发展!更加复杂的数字系统的芯片化设计和专用 集成电路 9B8>设计均已成为可能’ $!%目标系统可现场编程!在线升级’ $C%开发周期短!设计成本低!设计灵活性高" *(* +;9 技术设计流程 在设计方法上!+;9 技术为电子电路设计领域带 来了根本性的变革!将传统的(电路设计!硬件搭试 !调试焊接)模式转变为(功能设计!软件模拟!编 程下载)方式" 设计人员只需一台微机和相应的开发 工具即可研制出各种功能电路" 如前所述!+;9 技术 将电子产品设计从软件编译!逻辑化简!逻辑综合 !仿真优化!布局布线!逻辑适配!逻辑影射 编程下载!生成目标系统的全过程在计算机及其开 发平台上自动处理完成!如图 *所示" *(A +;9 技术设计载体 大规模可编程逻辑器件 >D@; 或 EDF9 是应用 +;9 技术进行产品开发的设计载体"由于可编程器件 可以通过软件编程而对其硬件的结构和工作方式进 行重构! 使得硬件设计如同软件设计一样方便快捷! 为数字系统设计带来了极大的灵活性" 今天的可编程器件无需编程烧录装置即可在系 统目标板上直接下载关于阵列连接的信息文件并现 场测试!同时具有体小量轻#功耗小#速度高$逻辑硬 件执行一个操作只需若干级的器件延迟%# 研制周期 短#性能可靠等显著特点!并且由于 D@; 芯片可重复 编程使用$高达上千次%!使得设计风险几乎为零" 先 进的 8BD 技术和 ?;D@; 器件使得电子工程设计人员 能在实验室中快速方便地开发专用集成电路芯片 9= B8>" *(! +;9 技术设计输入 +;9 技术及其软硬件开发工具进行电子系统设 计的第一步就是设计输入!即对设计系统的硬件功能 和测试方法进行描述" 目前最为流行的硬件描述语言 %?;@ $%,/GH ?00/-40. ?;@%! 诞生于 "LM* 年!"LMN 年被 8+++ 和美国国防部确认为标准硬件描 述语言" %?;@主要用于描述数字系统的结构#行为# 功能和接口! 非常适用于可编程逻辑芯片的应用设 计" 除了含有许多具有硬件特征的语句外!%?;@ 的 语言形式和描述风格与句法十分类似于一般的计算 机高级语言" %?;@的程序结构特点是将一项工程设 计!或称设计实体$可以是个元件#电路模块或一个系 统%分成外部$或称可示部分!即端口%和内部$或称不 可视部分!即构造体%两部分!外部负责对设计实体和 端口引脚命名和说明!内部负责对模块功能和算法进 行描述" 在对一个设计实体定义了外部界面后!一旦 其内部结构#功能开发完成!即可生成共享功能模块! 这就意味着!在顶层综合或其他设计中可以直接调用 图 * +;9 技术设计流程 !"% % 总第 !" 卷 第 !#$ 期 电测与仪表 %&’(!" )&(!#$ *$$! 年 第 !期 +’,-./0-1’ 2,134/,5,6. 7 863./45,6.1.0&6 9:/( *$$! 这个实体模块! %;<= 具有较强的行为描述能力"可 避开具体的器件结构"从逻辑功能和行为上进行描述 和设计! *(> +<9 技术开发工具 +<9 开发工具通常由 ?@=< 或 A@B9 生产厂家 提供!目前"国内外许多著名厂商"如美国 =1..0-, 公司 #代表产品 03=C8 系列$%D0’06E公司&代表产品 D?!$$$ 系列$以及 9’./1公司&代表产品 A=+D"$F系列$等均 已研制推广出各自的 +<9 开发软件"如 CG61/0&%+DH @+IJ%A46K1.0&6%29DL@’43* 等’ 本设计选用的开发 工具为美国 9’./1 公司的 29DM@=NC *" 它具有界面 统一"功能集中"易学易用"运行速度快等特点!29DM @=NC * 器件库提供了满足各种需求的 系列标准芯片" 支持从几十门到几百万 门的器件系列" 其中最为先进的 A=+D 系列采用独特的快通道技术" 使得器件 的可预测性大大增强"速度也得到提高" 资源利用率达 O$P左右时"A=+D"$F 系 列可以提供 O$2;Q左右的工作速度! 29DM@=NC *接受原理图% 波形和 文本&硬件描述语言$等多种设计输入方式"并可以任 意组合使用! 根据 +<9设计流程"用户首先应明确设 计目的和设计指标要求" 对所做项目进行功能设计( 然后利用原理图或文本输入方式进行设计输入(接着 启动 29DM@=NC *" 利用该开发工具所配备的编辑% 编译%仿真%综合%适配%下载等功能"自动进行后续全 过程) 若编译过程中发现错误"则将提示检查设计输 入"修改错误"直至编译完成(综合环节将电路设计图 或电路设计描述从抽象行为级变换成基本的逻辑单 元网表文件(时序仿真可验证设计结果是否达到设计 要求"以确保设计的正确性(编程下载是 +<9 设计的 最后一个环节" 把设计程序配置到可编程目标器件 中"完成在线硬件测试"生成 9C8?芯片! ! 数字频率计芯片化实现 应用大规模可编程逻辑器件"能够将大量的逻辑 功能集成于单个器件中"无需程序执行周期"从根本 上解决了单片机的限制! 本设计是选用 9’./1 公司的 代表产品 A=+D"$F"$ 芯片来实现的! R(" 设计任务指标 设计一个 # 位十进制数字显示的电子计数式频 率计"其设计指标为* &"$频率测量范围*"STTTTTT;Q"频率单位为 ;Q( &*$量程自动转换*当被测信号小于 ";Q 时"显示 $$$$$$;Q"同时发出欠测信号( 当被测信号为几 ;Q时"显示 U($$$$$;Q( 当被测信号为几十 ;Q时"显示 UU($$$$;Q( 当被测信号为几百 ;Q时"显示 UUU($$$;Q( 当被测信号为几千 ;Q时"显示 UUUU($$;Q( 当被测信号为几十千 ;Q时"显示 UUUUU($;Q( 当被测信号为几百千 ;Q时"显示 UUUUUU(;Q( 当被测信号大于 TTTTTT;Q时"发出超溢信号) &R$频率计应设置清零复位功能( &!$采用时分复用方式动态扫描显示) R(* 顶层系统设计 本设计采用自顶向下&J&:+<&V6$的设计方法! 其设计过程如图 R! 图 R 数字频率计顶层系统示意图 R(R 功能模块设计 此数字频率计系统分为分频与时基产生模块,计 数与控制模块%数字锁存与复用模块%动态扫描显示 模块等几个单元! 分频与时基产生模块对系统输入的 时钟进行分频操作" 获得一个周期为 *3 的固定时间 基准"即形成 "3 闸门时间(计数与控制模块在此闸门 时间内对被测信号进行计数"并根据被测输入信号的 频率范围自动切换量程" 控制小数点的显示位置(数 字锁存与复用模块在固定时间基准的后半周期开始 工作" 即当 "3 闸门计数时间结束" 闸门下降沿到来 时"锁存此时计数模块的各项输出(扫描显示模块则 在七段数码管片选信号控制下"将锁存器保存的 W?< 码数据动态扫描%译码"以十进制形式显示! 上述各功 能模块分别采用 %;<= 予以实现"篇幅所限"下面仅 以计数与控制模块为例介绍其基于 %;<= 的设计方 法! 图 !为计数与控制模块示意图&CG5X&’$! &"$ 设计实体 &+6.0.G$*计数与控制模块取名 AYCZ[#( &*$端口定义&@&/.$*各输入输出引脚定义如下* A8)@NJ\ 被测频率信号输入端( I+C+J\ 清零复位信号输入端( ?=F]*\ 时基闸门信号输入端( !"" " 总第 !" 卷 第 !#$ 期 电测与仪表 %&’(!" )&(!#$ *$$! 年 第 ! 期 +’,-./0-1’ 2,134/,5,6. 7 863./45,6.1.0&6 9:/( *$$! ;%+<= 频率超溢信号输出端! >;?+<= 频率欠测信号输出端! @89)= 小数点矢量信号输出端! AB@;CDEF G&H6.& $I= 六位 AB@ 计数信号输出 端! "J#设计输入$下面即为采用 %K@> 语言编写的 计数与控制模块设计文件% ’0L/1/M 0,,,N 43, 0,,,(3.GO’&P0-O""#!(1’’N调用库文件! 43, 0,,,(3.GO’&P0-O4630P6,G(1’’N ,6.0.M QR3SO# 03 TTTT设计实体说明! :&/.UQ06:4.V/,3,.V-’WO*=06 3.GO’&P0-N TTTT模块端口定义! &X,/V’&H,/=&4. 3.GO’&P0-N G016=&4. 3.GO’&P0-OX,-.&/EF G&H6.& $ YN L-G&4.F=&4. 3.GO’&P0-OX,-.&/EJ G&H6.& $YN L-G&4.!=&4. 3.GO’&P0-OX,-.&/EJ G&H6.& $YN L-G&4.J=&4. 3.GO’&P0-OX,-.&/EJ G&H6.& $YN L-G&4.*=&4. 3.GO’&P0-OX,-.&/EJ G&H6.& $YN L-G&4."=&4. 3.GO’&P0-OX,-.&/EJ G&H6.& $YN L-G&4.$=&4. 3.GO’&P0-OX,-.&/EJ G&H6.& $YYN ,6G QR3SO#N 1/-Z0.,-.4/, /.’ &Q QR3SO# 03 TTTT构造体说明! 30P61’ SF=3.GO’&P0-OX,-.&/EJ G&H6.& $YN定义内部信号! 30P61’ S!=3.GO’&P0-OX,-.&/EJ G&H6.& $YN 30P61’ SJ=3.GO’&P0-OX,-.&/EJ G&H6.& $YN 30P61’ S*=3.GO’&P0-OX,-.&/EJ G&H6.& $YN 30P61’ S"=3.GO’&P0-OX,-.&/EJ G&H6.& $YN 30P61’ S$=3.GO’&P0-OX,-.&/EJ G&H6.& $YN L,P06 :/&-,33EQ06:4.V/,3,.Y TTTT进程开始! L,P06 0Q Q06:4.[,X,6. 16G Q06:4.\["[ .Z,6 0Q E/,3,.\["[ &/ -’WO*\[$[Y .Z,6!TT闸门为低电平或复位时&输出全零! &X,/]\[$[N ’&H,/]\[$[N S$]\^$$$$^NS"]\^$$$$^NS*]\^$$$$^N SJ]\^$$$$^NS!]\^$$$$^NSF]\^$$$$^N ,’30Q -’WO*\["[ .Z,6 0Q S$]_ .Z,6 S$]\S$‘"N ,’3, S$]\^$$$$^N TTTT闸门时间内对频率信 号累加计数! 0Q S"]_ .Z,6 S"]\S"‘"N ,’3, S"]\^$$$$^N 0Q S*]_ .Z,6 S*]\S*‘"N ,’3, S*]\^$$$$^N 0Q SJ]_ .Z,6 SJ]\SJ‘"N ,’3, SJ]\^$$$$^N 0Q S!]_ .Z,6 S!]\S!‘"N ,’3, S!]\^$$$$^N 0Q SF]_ .Z,6 SF]\SF‘"N ,’3, SF]\^$$$$^N &X,/]\["[N TTTT大于 ______ 发超溢信号! ,6G 0QN,6G 0QN,6G 0QN,6G 0QN,6G 0QN,6G 0QN ,6G 0QN 0Q SF a \$ .Z,6 G016]\^$$$$$"^NTTTT根据计数值切换小数点位置! L-G&4.F]\SFN L-G&4.!]\S!N L-G&4.J]\SJN L-G&4.*]\S*N L-G&4."]\S"N L-G&4.$]\S$N ,’30Q S! a \$ .Z,6 G016]\^$$$$"$^N L-G&4.F]\S!N L-G&4.!]\SJN L-G&4.J]\S*N L-G&4.*]\S"N L-G&4."]\S$N L-G&4.$]\^$$$$^N ,’30Q SJ a \$ .Z,6 G016]\^$$$"$$^N L-G&4.F]\SJN L-G&4.!]\S*N L-G&4.J]\S"N L-G&4.*]\S$N L-G&4."]\^$$$$^N L-G&4.$]\^$$$$^N ,’30Q S* a \$ .Z,6 G016]\^$$"$$$^N L-G&4.F]\S*N L-G&4.!]\S"N L-G&4.J]\S$N L-G&4.*]\^$$$$^N L-G&4."]\^$$$$^N L-G&4.$]\^$$$$^N ,’30Q S" a \$ .Z,6 G016]\^$"$$$$^N L-G&4.F]\S"N L-G&4.!]\S$N L-G&4.J]\^$$$$^N L-G&4.*]\^$$$$^N L-G&4."]\^$$$$^N L-G&4.$]\^$$$$^N ,’30Q S$ a \$ .Z,6 G016]\^"$$$$$^N L-G&4.F]\S$N L-G&4.!]\^$$$$^N L-G&4.J]\^$$$$^N L-G&4.*]\^$$$$^N L-G&4."]\^$$$$^N L-G&4.$]\^$$$$^N ,’3, ’&H,/]\["[N TTTT小于 "Kb 发欠测信号! L-G&4.F]\^$$$$^N L-G&4.!]\^$$$$^N L-G&4.J]\^$$$$^N L-G&4.*]\^$$$$^N L-G&4."]\^$$$$^N L-G&4.$]\^$$$$^N ,6G 0QN ,6G 0QN,6G :/&-,33N ,6G /.’N ! 结 语 与以往的数字频率计相比& 基于硬件描述语言 %K@>和 +@9 技术实现的数字频率计具有集成度高’ 设计灵活’易于升级等优点&体现了硬件电路软件设 计的思路& 是现代电子电路设计方法的一个趋势&也 标志着电子电路设计领域进入了一个崭新的发展阶 段% 参 考 文 献! c"d 侯伯亨等( 数字系统设计基础 c2d( 西安电子科技大学出版社& *$$$( c*d 潘 松等(%K@> 实用教程c2d(电子科技大学出版社&*$$$( cJd 徐志军等( 大规模可编程逻辑器件及其应用c2d(电子科技大学出 版社&*$$$( 第一作者简介! 武卫华&毕业于合肥工业大学机电一体化专业&工学学士&现从事电子 电路设计与仿真方面的研究% 收稿日期$*$$!T$"T$" !郭松林 编发" 图 ! 计数与控制模块示意图 !!" "