基于EDA技术的数字频率计的设计

摘 要：选用Altera公司的可编程逻辑器件EPF10K10LC84-4作为硬件电路。依据EDA技术的设计思想，运用VHDL硬件描述语言和Max+PlusⅡ软件，针对数字频率计的工作原理，对其各个部分进行编程。该设计结构清晰，避免了用原理图设计引起的毛刺现象。实验证明，该设计具有一定的可行性和参考价值。
关键词：数字频率计；EDA；VHDL语言；Max+PlusⅡ软件

0 引 言
    EDA技术是以大规模可编程逻辑器件为设计载体，以硬件语言为系统逻辑描述的主要方式，以计算机、大规模可编程逻辑器件的开发软件及实验开发系统为设计工具，通过有关的开发软件，自动完成用软件设计的电子系统到硬件系统的设计，最终形成集成电子系统或专用集成芯片的一门新技术。其设计的灵活性使得EDA技术得以快速发展和广泛应用。
    本文以Max+PlusⅡ软件为设计平台，采用VHDL语言实现数字频率计的整体设计。

1 工作原理
    众所周知，频率信号易于传输，抗干扰性强，可以获得较好的测量精度。因此，频率检测是电子测量领域最基本的测量之一。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，对比测量其他信号的频率。通常情况下计算每秒内待测信号的脉冲个数，即闸门时间为1 s。闸门时间可以根据需要取值，大于或小于1 s都可以。闸门时间越长，得到的频率值就越准确，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，测得的频率值刷新就越快，但测得的频率精度就受影响。一般取1 s作为闸门时间。
    数字频率计的关键组成部分包括测频控制信号发生器、计数器、锁存器、译码驱动电路和显示电路，其原理框图如图1所示。

2 设计分析
2．1 测频控制信号发生器
    测频控制信号发生器产生测量频率的控制时序，是设计频率计的关键。这里控制信号CLK取为1 Hz，2分频后就是一个脉宽为1 s的时钟信号FZXH，用来作为计数闸门信号。当FZXH为高电平时开始计数；在FZXH的下降沿，产生一个锁存信号SCXH，锁存数据后，还要在下次FZXH上升沿到来之前产生清零信号CLEAR，为下次计数做准备，CLEAR信号是上升沿有效。
2．2 计数器
    计数器以待测信号FZXH作为时钟，在清零信号CLEAR到来时，异步清零；FZXH为高电平时开始计数。本文设计的计数器计数最大值是99 999 999。

2．3 锁存器
    当锁存信号SCXH上升沿到来时，将计数器的计数值锁存，这样可由外部的七段译码器译码并在数码管上显示。设置锁存器的好处是显示的数据稳定，不会由于周期性的清零信号而不断闪烁。锁存器的位数应跟计数器完全一样，均是32位。
2．4 译码驱动电路
    本文数码管采用动态显示方式，每一个时刻只能有一个数码管点亮。数码管的位选信号电路是74LS138芯片，其8个输出分别接到8个数码管的位选；3个输入分别接到EPF10K10LC84-4的I／O引脚。
2．5 数码管显示
    本文采用8个共阴极数码管来显示待测频率的数值，其显示范围从O～99 999 999。
    以下是数码管段选的程序：

2．6 程序
    综合以上模块分析，可以得到如下程序：

3 结 语
    本文采用EDA设计方法，把数字频率计系统组建分解成若干个功能模块进行设计描述，选用Altera公司生产的FPGA产品FLEX10K系列的EPF10K10LC84-4芯片，下载适配后，便可以在数码管上显示出待测频率的数值。实验证明，其软件设计思想清晰，硬件电路简单，具有一定的实用性。