數(shù)字頻率計數(shù)器實驗報告

8.3實驗三：數(shù)字頻率計的設(shè)計

1．實驗?zāi)康?/p>

(1)熟悉QuartusⅡ軟件的基本使用方法。

(2)熟悉EDA實驗開發(fā)系統(tǒng)的基本使用方法。

(3)學(xué)習(xí)VHDL基本邏輯電路的綜合設(shè)計應(yīng)用。

2．實驗內(nèi)容

設(shè)計并調(diào)試好8位十進(jìn)制數(shù)字頻率計，并用EDA實驗開發(fā)系統(tǒng)(事先應(yīng)選定擬采用的實驗芯片的型號)進(jìn)行硬件驗證。3．實驗要求

(1)畫出系統(tǒng)的原理框圖，說明系統(tǒng)中各主要組成部分的功能。

(2)編寫各個VHDL源程序。

(3)根據(jù)系統(tǒng)的功能，選好測試用例，畫出測試輸入信號波形或編好測試程序。

(4)根據(jù)選用的EDA實驗開發(fā)裝置編好用于硬件驗證的管腳鎖定表格或文件。

(5)記錄系統(tǒng)仿真、邏輯綜合及硬件驗證結(jié)果。

(6)記錄實驗過程中出現(xiàn)的問題及解決辦法4.系統(tǒng)設(shè)計思路圖6.15是8位十進(jìn)制數(shù)字頻率計的電路邏輯圖，它由1個測頻控制信號發(fā)生器TESTCTL、8個有時鐘使能的十進(jìn)制計數(shù)器CNT10、1個32位鎖存器REG32B組成。以下分別敘述頻率計各邏輯模塊的功能與設(shè)計方法。圖6.158位十進(jìn)制數(shù)字頻率計邏輯圖1)測頻控制信號發(fā)生器的設(shè)計頻率測量的基本原理是計算每秒鐘內(nèi)待測信號的脈沖個數(shù)。這就要求TESTCTL的計數(shù)使能信號TSTEN能產(chǎn)生一個1秒脈寬的周期信號，并對頻率計的每一計數(shù)器CNT10的ENA使能端進(jìn)行同步控制。當(dāng)TSTEN高電平時，允許計數(shù)；低電平時，停止計數(shù)，并保持其所計的數(shù)。在停止計數(shù)期間，首先需要一個鎖存信號LOAD的上跳沿將計數(shù)器在前1秒鐘的計數(shù)值鎖存進(jìn)32位鎖存器REG32B中，由外部的7段譯碼器譯出并穩(wěn)定顯示。鎖存信號之后，必須有一清零信號CLR_CNT對計數(shù)器進(jìn)行清零，為下一秒鐘的計數(shù)操作做準(zhǔn)備測頻控制信號發(fā)生器的工作時序如圖6.16所示。為了產(chǎn)生這個時序圖，需首先建立一個由D觸發(fā)器構(gòu)成的二分頻器，在每次時鐘CLK上沿到來時其值翻轉(zhuǎn)。其中，控制信號時鐘CLK的頻率取1Hz，而信號TSTEN的脈寬恰好為1s，可以用作閘門信號。此時，根據(jù)測頻的時序要求，可得出信號LOAD和CLR_CNT的邏輯描述。由圖6.16可見，在計數(shù)完成后，即計數(shù)使能信號TSTEN在1s的高電平后，利用其反相值的上跳沿產(chǎn)生一個鎖存信號LOAD，0.5s后，CLR_CNT產(chǎn)生一個清零信號上跳沿圖6.16測頻控制信號發(fā)生器工作時序2)寄存器REG32B的設(shè)計設(shè)置鎖存器的好處是，顯示的數(shù)據(jù)穩(wěn)定，不會由于周期性的清零信號而不斷閃爍。若已有32位BCD碼存在于此模塊的輸入口，在信號LOAD的上升沿后即被鎖存到寄存器REG32B的內(nèi)部，并由REG32B的輸出端輸出，然后由實驗板上的7段譯碼器譯成能在數(shù)碼管上顯示的相對應(yīng)的數(shù)值。3)十進(jìn)制計數(shù)器CNT10的設(shè)計此十進(jìn)制計數(shù)器的特殊之處是，有一時鐘使能輸入端ENA，用于鎖定計數(shù)值。當(dāng)高電平時計數(shù)允許，低電平時計數(shù)禁止。5.?VHDL源程序1)有時鐘使能的十進(jìn)制計數(shù)器的源程序CNT10.VHD--CNT10.VHDLIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITYCNT10ISPORT(CLK:INSTD_LOGIC;CLR:INSTD_LOGIC;ENA:INSTD_LOGIC;CQ:OUTINTEGERRANGE0TO15;CO:OUTSTD_LOGIC);ENDENTITYCNT10;ARCHITECTUREARTOFCNT10ISSIGNALCQI:INTEGERRANGE0TO15;BEGINPROCESS(CLK,CLR,ENA)ISBEGINIFCLR='1'THENCQI<=0;ELSIFCLK'EVENTANDCLK='1'THENIFENA='1'THENIFCQI<9THENCQI<=CQI+1;ELSECQI<=0;ENDIF;ENDIF;ENDIF;ENDPROCESS;PROCESS(CQI)ISBEGINIFCQI=9THENCO<='1';ELSECO<='0';ENDIF;ENDPROCESS;CQ<=CQI;ENDARCHITECTUREART;2)?32位鎖存器的源程序REG32B.VHD--REG32B.VHDLIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITYREG32BISPORT(LOAD:INSTD_LOGIC;DIN:INSTD_LOGIC_VECTOR(31DOWNTO0);DOUT:OUTSTD_LOGIC_VECTOR(31DOWNTO0));ENDENTITYREG32B;ARCHITECTUREARTOFREG32BISBEGINPROCESS(LOAD,DIN)ISBEGINIF(LOAD'EVENTANDLOAD='1')THENDOUT<=DIN;ENDIF;ENDPROCESS;ENDARCHITECTUREART;3)測頻控制信號發(fā)生器的源程序TESTCTL.VHD--TESTCTL.VHDLIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USEIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITYTESTCTLISPORT(CLK:INSTD_LOGIC;TSTEN:OUTSTD_LOGIC;CLR_CNT:OUTSTD_LOGIC;LOAD:OUTSTD_LOGIC);ENDENTITYTESTCTL;ARCHITECTUREARTOFTESTCTLISSIGNALDIV2CLK:STD_LOGIC;BEGINPROCESS(CLK)ISBEGINIFCLK'EVENTANDCLK='1'THENDIV2CLK<=NOTDIV2CLK;ENDIF;ENDPROCESS;PROCESS(CLK,DIV2CLK)ISBEGINIFCLK='0'ANDDIV2CLK='0'THENCLR_CNT<='1';ELSECLR_CNT<='0';ENDIF;ENDPROCESS;LOAD<=NOTDIV2CLK;TSTEN<=DIV2CLK;ENDARCHITECTUREART;4)數(shù)字頻率計的源程序FREQ.VHD--FREQ.VHDLIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITYFREQISPORT(FSIN:INSTD_LOGIC;CLK:INSTD_LOGIC;DOUT:OUTSTD_LOGIC_VECTOR(31DOWNTO0));ENDENTITYFREQ;ARCHITECTUREARTOFFREQISCOMPONENTCNT10ISPORT(CLK,CLR,ENA:INSTD_LOGIC;CQ:OUTSTD_LOGIC_VECTOR(3DOWNTO0);CO:OUTSTD_LOGIC);ENDCOMPONENTCNT10;COMPONENTREG32BISPORT(LOAD:INSTD_LOGIC;DIN:INSTD_LOGIC_VECTOR(31DOWNTO0);DOUT:OUTSTD_LOGIC_VECTOR(31DOWNTO0));ENDCOMPONENTREG32B;COMPONENTTESTCTLISPORT(CLK:INSTD_LOGIC;TSTEN:OUTSTD_LOGIC;CLR_CNT:OUTSTD_LOGIC;LOAD:OUTSTD_LOGIC);ENDCOMPONENTTESTCTL;SIGNALSE,SC,SL:STD_LOGIC;SIGNALS1,S2,S3,S4,S5,S6,S7,S8:STD_LOGIC;SIGNALSD:STD_LOGIC_VECTOR(31DOWNTO0);BEGINU0:TESTCTLPORTMAP(CLK=>CLK,TSTEN=>SE,CLR_CNT=>SC,LOAD=>SL);U1:CNT10PORTMAP(CLK=>FSIN,CLR=>SC,ENA=>SE,CQ=>SD(3DOWNTO0),CO=>S1);U2:CNT10PORTMAP(CLK=>S1,CLR=>SC,ENA=>SE,CQ=>SD(7DOWNTO4),CO=>S2);U3:CNT10PORTMAP(S2,SC,SE,SD(11DOWNTO8),S3);U4:CNT10PORTMAP(S3,SC,SE,SD(15DOWNTO12),S4);U5:CNT10PORTMAP(S4,SC,SE,SD(19DOWNTO16),S5);U6:CNT10PORTMAP(S5,SC,SE,SD(23DOWNTO20),S6);U7:CNT10PORTMAP(S6,SC,SE,SD(27DOWNTO24),S7);U8:CNT10PORT