Quartus II EDA頻率計設計

ID:747475 · 發表于 2020-5-9 10:51

Quartus II9.0 進行的EDA頻率計設計

1、頻率計的測量范圍為1MHz，量程分10KHz、100KHz和1000KHz三檔（最大讀數分別為9.99KHz、99.9KHz、999KHz）。

2、當讀數大于999時，頻率計處于超量程狀態。此時顯示器發出溢出指示（最高位顯示F，其余各位不顯示數字），下一次測量時，量程自動增大一檔。讀數小于000時，頻率計處于欠量程狀態。下次測量時，量程減小一檔。

3、要求實現溢出報警功能。即當頻率高于999KHz時，頻率計處于超量程狀態，產生一報警信號，點亮LED燈，從而實現溢出報警功能。

4、用記憶顯示方式，即計數過程中不顯示數據，待計數過程結束后，顯示計數結果，并將此顯示結果保持到下一次計數結束。顯示時間應不小于1秒，小數點位置隨量程變更自動移位。

2. 系統總體設計

本設計采用的是直接測頻率的方法。即測頻率法就是在一定的時間間隔內TW內，得到這個周期信號重復變化的次數NX，則被測頻率可表示為FX=NX/TW。

頻率計的系統設計可以分為計頻基準時鐘模塊、自動換檔模塊、4位10進制計數模塊鎖存模塊、譯碼顯示模塊。

計頻基準時鐘模塊：

以1kHZ為基準，產生三個不同占比的0.5Hz脈沖信號其高電平時間分別為1s、0.1s、0.01s，分別用以測量頻率在0~9.99KHz、0~99.9KHz、0~999KHz的頻率。

自動換檔模塊：

先以最低檔位測量，溢出時下一次計數自動切換高檔位，計數不滿“000”下一次自動切換到低檔位。計數溢出999khz時，發出警報。

四位10進制計數模塊鎖存模塊：

四位十進制計數，檔位基準信號為高電平時，開始計數，低電平時鎖存輸出計數結果的前三位，計數器清零。當溢出或計數不滿時，輸出換擋信號。計數刷新頻率為0.5Hz。

譯碼顯示模塊：

將計數器輸出的結果按位譯成7段顯示數碼管對應數字碼，根據所選檔位信號設置小數點位置。刷新頻率為

系統框圖（可打印）

3. 系統詳細設計

3.1 計頻基準時鐘模塊設計

該模塊的電路框圖

各輸入輸出引腳的定義及作用

Clk：為基準時鐘信號，選用1kHz時鐘信號

F0：根據clk分頻出的0.5Hz高電平為1s的計頻信號，用以0~9.99kHz檔計頻。

F1：根據clk分頻出的0.5Hz高電平為0.1s的計頻信號，用以0~99.9kHz檔計頻。

F2：根據clk分頻出的0.5Hz高電平為0.01s的計頻信號，用以0~999kHz檔計頻。

library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
use ieee.std_logic_arith.all;
use ieee.std_logic_unsigned.all;
entity dw is port(clk:in std_logic;
f0:out std_logic;
f1:out std_logic;
f2:out std_logic);
end dw;
architecture body_dw of dw is
begin
process(clk) --clk選用1kHz時鐘信號
variable ct:integer range 0 to 2000;
begin
if clk'event and clk='1'then --分頻周期為2s的脈沖
ct:=ct+1;
if ct=2000 then ct:=0;
end if;
if ct<1000 then f0<='1';
elsif ct<2000 then f0<='0'; --f0為0.5Hz高電平為1s
end if;
if ct<100 then f1<='1';
elsif ct<2000 then f1<='0'; --f1為0.5Hz高電平為0.1s
end if;
if ct<10 then f2<='1';
elsif ct<2000 then f2<='0'; --f2為0.5Hz高電平為0.01s
end if;
end if;
end process;
end body_dw;

復制代碼

（可打印）

仿真波形（可打印）

對波形的分析說明：

Ct為整數計數，檢測到clk上升沿時則加一計數，f0,f1,f2根據ct計數結果分頻輸出所需脈沖。

3.2 自動換檔模塊設計

f0,f1,f2為各檔位計頻信號

td為換擋信號

f為所選檔位輸出的測頻信號

sel輸出檔位選擇信號，用以小數點位置控制

alarm為999kHz溢出報警

library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
use ieee.std_logic_arith.all;
use ieee.std_logic_unsigned.all;
entity xz is port(f0:in std_logic;
f1:in std_logic;
f2:in std_logic;
td:in std_logic_vector(1 downto 0);
f:out std_logic;
alarm:out std_logic;
sel:out std_logic_vector(1 downto 0)); --輸出檔位選擇信號
end xz;
architecture body_xz of xz is
begin
process(td,f0)
variable dwxz:std_logic_vector(1 downto 0);
begin
if f0'event and f0='1' then --計數前以0.5Hz信號的上升沿檢測是否有換擋信號
if td="10" then --換擋信號td為10表示切換到高一檔
if dwxz="10" then alarm<='1'; --如果檔位已是最高，則報警
else dwxz:=dwxz+1;
alarm<='0'; --正常換擋則消除報警
end if;
elsif td="01" then --換擋信號td為01表示切換到低一檔
if dwxz="00" then null;
else dwxz:=dwxz-1;
alarm<='0';
end if;
else alarm<='0'; --正常計頻，消除報警
end if;
sel<=dwxz;
if dwxz=0 then f<=f0;end if;
if dwxz=1 then f<=f1;end if;
if dwxz=2 then f<=f2;end if;
end process;
end body_xz;

復制代碼

開始時量程輸出為（檔位選擇）sel=“00”，即最小檔，輸出f為f0，當接收到（調檔）td=“10”切換高一檔，sel變為“10”。

3.3 四位10進制計數鎖存模塊設計

M輸入被測量信號

En輸入測量脈沖，高電平時開始計頻率，低電平輸出鎖存結果。

q3,q2,q1為鎖存的計頻結果。

Td在溢出和欠量程時候輸出調檔信號。

library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
use ieee.std_logic_arith.all;
use ieee.std_logic_unsigned.all;
entity js is port(m:in std_logic;
               en:in std_logic;
               q1,q2,q3:out std_logic_vector(3 downto 0);
               td:out std_logic_vector(1 downto 0));
end js;
architecture body_js of js is
signal js_td:std_logic_vector(1 downto 0);
signal b3,b2,b1: std_logic_vector(3 downto 0);
begin
process(en,m)
variable w0,w1,w2,w3:std_logic_vector(3 downto 0);    --四位十進制計數
begin
if en='1' then                                  --當計頻脈沖為1是開始計數
if m'event and m='1' then
   if w3="1010" then null;
   else w0:=w0+1;
   if w0="1010" then
      w0:="0000";w1:=w1+1;
      if w1="1010" then
      w1:="0000";w2:=w2+1;
      if w2="1010" then
      w2:="0000";w3:=w3+1;
      end if ;
      end if ;
   end if;
   end if;
b1<=w1;                --計數結果實時緩存至b1,b2,b3
b2<=w2;
b3<=w3;
   end if ;
end if ;
   if en='0'then
q1<=b1;                   --en檔位脈沖為低電平時b1,b2,b3結果為最終值，保持不變
q2<=b2;                   --將結果輸出至Q1,Q2,Q3
q3<=b3;                   --當下一次低電平時，刷新計數結果
   w0:="0000";
   w1:="0000";       --低電平時，計數器清零
   w2:="0000";
   w3:="0000";
end if;
end process;
process(en)                   --計數一結束，以下降沿觸發判斷是否欠量程或則溢出
begin                      --并輸出相應調檔信號
if en'event and en='0'then
if b1="0000" and b2="0000" then
      if b3="0000" then td<="01";
      elsif b3="1010" then td<="10";
      elsif b3>"0000"and b3<"1010" then td<="00";
      end if;
  end if;
end if;
end process;
end body_js;

En脈沖為99.9Hz量程脈沖

m被測脈沖設置為0~5s 50Hz；5~10s 10000Hz；10~13s 100000Hz;

第一個測量脈沖判定結果為欠量程，調檔信號TD輸出01，調低檔位

第三個脈沖檢測判定10.0kHz，在量程范圍，調檔不做輸出

第六個脈沖檢測判定100kHz，溢出，調檔TD輸出10，調高檔位

3.4 譯碼模塊

Clk為1kHz時鐘信號，用以觸發賦值語句等

Sel為檔位信號

Q1,Q2,Q3為計數器鎖存結果輸入

LED0,LED1,LED2為三位結果的譯碼輸出

library ieee;

use ieee.std_logic_1164.all;
use ieee.std_logic_arith.all;
use ieee.std_logic_unsigned.all;
entity ym is port(
               clk:in std_logic;
               sel:in std_logic_vector(1 downto 0);
                        q1,q2,q3:in std_logic_vector(3 downto 0);
                        led0,led1,led2:out std_logic_vector(7 downto 0));
end ym;
architecture body_ym of ym is
signal tp:std_logic_vector(3 downto 0);
signal led:std_logic_vector(6 downto 0);
begin
led<="0111111"when tp="0000"else          --0
         "0000110"when tp="0001"else    --1
         "1011011"when tp="0010"else    --2
         "1001111"when tp="0011"else    --3
   "1100110"when tp="0100"else          --4
   "1101101"when tp="0101"else             --5
   "1111101"when tp="0110"else          --6
   "0000111"when tp="0111"else          --7
   "1111111"when tp="1000"else          --8
   "1101111"when tp="1001"else          --9
   "1110001"when tp="1010";             --F
   process(clk,sel)
variable c:std_logic_vector(1 downto 0) ;
begin
  if clk'event and clk='1' then
  if c="10"then c:="00";
  else c:=c+1;
  end if;
  if q3="1010"then                      --溢出顯示F
   led2<="01110001";
   led1<="00000000";
   led1<="00000000";
            else
            if sel="10"  then       --999KHZ檔小數點賦值
               case c is
               when "00"=>tp<=q2;
                     led0<='1'&led;
               when "01"=>tp<=q3;
                     led1<='0'&led;
               when "10"=>tp<=q1;
                     led2<='0'&led;
               when others=>null;
               end case;
         elsif sel="01"  then       -- 99.9khz檔小數點
               case c is
               when "00"=>tp<=q2;
                     led0<='0'&led;
               when "01"=>tp<=q3;
                     led1<='1'&led;
               when "10"=>tp<=q1;
                     led2<='0'&led;
               when others=>null;
               end case;
         elsif sel="00" then          --9.99kHz檔小數點
               case c is
               when "00"=>tp<=q2;
                     led0<='0'&led;
               when "01"=>tp<=q3;
                     led1<='0'&led;
               when "10"=>tp<=q1;
                     led2<='1'&led;
               when others=>null;
               end case;
               end if;
               end if;
               end if;
end process;
end body_ym;

設置0~2s 輸出為1017，溢出，LED2輸出F的段碼，兩外兩個消隱。

設置2s后輸出217，按照（量程選擇）sel=0時，為0~9.99khz，小數點在高位即led2[7]為1。

3.4 顯示模塊

Clk：動態顯示觸發信號，1khz每一個點亮一個數碼管，三個循環，其頻率顯然大于人眼可識別。

Led0,led1,led2:為譯碼輸出的數碼管顯示信號。

Ledag,sel：為動態顯示

library ieee;

library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
use ieee.std_logic_arith.all;
use ieee.std_logic_unsigned.all;
entity dynamic_display is port(clk:in std_logic;
                        ledag:out std_logic_vector(7 downto 0);
                        sel:out std_logic_vector(2 downto 0);
                        led0,led1,led2:in std_logic_vector(7 downto 0));
end dynamic_display;
architecture body_display of dynamic_display is
begin
   process(clk)
variable c:std_logic_vector(1 downto 0) ;
begin
  if clk'event and clk='1' then
  if c="10"then c:="00";
  else c:=c+1;
  end if;
  end if;
  case c is
  when"00"=>sel<="001";
         ledag<=led0;
  when"01"=>sel<="010";
         ledag<=led1;
  when"10"=>sel<="100";
         ledag<=led2;
  when others=>null;
  end case;
end process;
end body_display;

4. 系統調試

4.1 系統總體仿真