实 验 报 告

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目录

一、实验名称： ............................................................................................................................... 3 二、实验目的： ............................................................................................................................... 3 三、实验任务： ............................................................................................................................... 3 四、实验原理： ............................................................................................................................... 3

1.分频器： ................................................................................................................................ 4

① 功能 ............................................................................................................................. 4 ② 实现： ......................................................................................................................... 4 2.闸门选择 ................................................................................................................................ 5

① 功能 ............................................................................................................................. 5 ② 实现 ............................................................................................................................. 5 3.门控电路： ............................................................................................................................ 6

① 功能： ......................................................................................................................... 6 ② 实现 ............................................................................................................................. 7 4.计数器： ................................................................................................................................ 8

① 功能 ............................................................................................................................. 8 ② 实现 ............................................................................................................................. 8 5.锁存器： ................................................................................................................................ 9

① 功能 ............................................................................................................................. 9 ② 实现 ............................................................................................................................. 9 6.扫面显示 ................................................................................................................................ 9

① 功能 ............................................................................................................................. 9 ② 实现 ............................................................................................................................. 9 7.top顶层文件........................................................................................................................ 10

① 功能： ....................................................................................................................... 10 ② 实现： ....................................................................................................................... 10 8.管脚的配置： ...................................................................................................................... 11 六、误差分析： ............................................................................................................................. 13

1. 原因 .................................................................................................................................. 13 2.减小误差 .............................................................................................................................. 13 七、实验结论： ............................................................................................................................. 14 八、程序附录： ............................................................................................................................. 14

1.分频器： .............................................................................................................................. 14 2.闸门选择： .......................................................................................................................... 15 3.门控电路： .......................................................................................................................... 16 4.计数器： .............................................................................................................................. 17 5.锁存器： .............................................................................................................................. 19 6.扫面显示： .......................................................................................................................... 20 7.top程序： ........................................................................................................................... 21

一、实验名称：基于FPGA的数字频率计的设计

二、实验目的：学习VHDL语言并使用它完成频率计的设计，使学生不断

的加深对VHDL描述语言的掌握，以及不断总结由软件来实现硬件的特点，学会程序与芯片的对接，为以后的工作和更进一步的学习学习打好基础。

三、实验任务： 基于FPGA采用硬件描述语言VHDL，在软件开发平台

ISE上设计出一个数字频率计，使用ModelSim仿真软件对VHDL程序做仿真并下载到芯片完成实际测量。要求：其频率测量范围为10Hz～10MHz，测量结果用6只数码管显示。有三个带锁按键开关(任何时候都只能有一个被按下)被用来选择1S、0.1S和0.01S三个闸门时间中的一个。有两只LED，一只用来显示闸门的开与闭，另一只当计数器溢出时做溢出指示。

四、实验原理：

频率计的基本原理是用一个频率稳定度高的频率源作为基准时钟（本实验采用50MHz的石英振荡器作为基准时钟），对比测量其他信号的频率。通常情况下计数每秒内待测信号的脉冲个数，此时我们称闸门时间为1S，闸门时间也可以大于或小于1S。闸门时间越长，得到的频率值就准确，但闸门时间越长则每测一次频率的间隔就越长；闸门时间越短，测得频率值刷新就越快，但测得的频率精准度会受到影响。

频率是指周期性信号在单位时间(一秒)内变化的次数。若在一定时间T内计得这个周期信号变化的次数为N，则其频率可表达：

f=N/T

所以将N和T分别测量出来即可得出测量频率。因此需要的模块有：计数器、基准时钟、门控电路，由此得出基本原理图如下所示：

工作原理：

把被测信号①(以正弦波为例)通过脉冲形成电路转变成脉冲②(实验室直接测量方波，即相当于跳过放大整形)其重复频率等于被测频率，,然后将它加到闸

门的一个输入端。闸门出门控信号④来控制开、闭时间，只有在闸门开通时间T内，被计数的脉冲⑤才能通过闸门，被送到十进制电子计数器进行计数。

考虑到测量范围和显示要求，需要对上面原理图做完善，需要添加：分频器、数据锁存器、扫描显示的控制子系统(包括显示译码和扫描控制)、两只LED指示闸门通断和计数器溢出，由此得出如下完善之后原理图：

五、实验步骤:

先对各个模块进行设计仿真，保证每个模块的正常运行，最后将各个模块进行汇总连接，编写top顶层文件，最后对top文件进行仿真测试，测试好之后下载到芯片进行实际测量。

1.分频器：

①

功能：对石英振荡器产生的信号进行分频，得到10Hz、100Hz和1KHz

三个基准频率，提供标准闸门时间控制信号以精确控制计数器的开闭；同时将1KHz的信号作为扫描显示译码模块的时钟，以产生扫描选择信号。

②

实现：分频器的功能是由于闸门时间只有1S，0.1S，0.01S三档，且

在数码管显示时采用动态扫描的方法，需要产生1kHz的扫描信号，由于本设计将下载到开发板上，其提供的标准时间是48MHz，所以要对系统的48MHz时钟信号进行分频，以产生符合要求的各频率信号：先由系统时钟50MHz分频出1kHz作为数码管显示的动态扫描信号，同时产生0.01S的计数闸门信号脉冲，再由1kHz分频出100Hz产生0.1S的计数闸门信号脉冲，由100Hz分频出10Hz产生1S的计数闸门信号脉冲。由此写出分频器的VHDL程序（见程序附录1），仿真模块如图所示：

到此完成了对分频器模块的设计和仿真。

2.闸门选择：

①

功能：实现对输入的几个闸门信号的手动选择，将选择的闸门信号有实现：采用数字电路里所学的多路复用器原理，s(2:0)为选择端，

fref输出到下一个模块，同时输出小数点的控制信号dp1。

②