eda技術及應用課程設計-- 基于verilog語言的調頻輸出器設計

1、<p>　　《EDA技術及應用》</p><p><b>　　設計報告</b></p><p>　　名 稱： 基于Verilog語言的調頻輸出器設計 </p><p>　　專業(yè)名稱：　 電氣工程及其自動化

2、 </p><p>　　班 級： 11級電氣工程及其自動化（1）班 </p><p><b>　　任務書</b></p><p>　　設計題目： 基于Verilog語言的調頻輸出器設計

3、 </p><p><b>　　1．主要內容</b></p><p>　　1）設計一個6位頻率計，輸出為100KHz的固定任意波形。測量結果用6個數(shù)碼管顯示，基準時鐘頻率為50MHz；</p><p>　　2）精度要求達到100KHZ+500KHZ,只顯示測量結果。</p><p>　　3）頻率計

4、只設一個復位鍵，按下該鍵（reset=0）系統(tǒng)復位，釋放該鍵（reset=1）系統(tǒng)工作，測量并顯示結果；</p><p>　　4）用Verilog HDL實現(xiàn)上述要求的頻率計。</p><p><b>　　2．基本要求</b></p><p>　　設計報告：不少于5000字，Ａ４幅面，統(tǒng)一復印封面。</p><p>&l

5、t;b>　　封面、設計任務書</b></p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　1）系統(tǒng)設計原理說明及實現(xiàn)方案論證；（綜述、任務詳解及設計思路等）</p><p><b>　　2）系統(tǒng)硬件設計；</b></p><p><b>　　3）系統(tǒng)軟件設計；&

6、lt;/b></p><p>　　4）系統(tǒng)調試；（調試步驟、方法及調試過程中的問題及如何解決等）</p><p>　　5）結果分析及展望；（最后的結果成功點和不足之處、總結及改進等）</p><p><b>　　附錄---參考文獻</b></p><p><b>　　3．進度安排</b><

7、;/p><p>　　4、設計考核辦法與成績評定</p><p>　　根據(jù)過程、報告、答辯等確定設計成績，成績按得分0～100分，可分為優(yōu)、良、中、及格、不及格五等。</p><p><b>　　5．主要參考文獻</b></p><p>　　[1]潘松,黃繼業(yè).EDA技術與VHDL（第2版）[M].北京:清華大學出版社,200

8、7.</p><p>　　[2]康華光.電子技術基礎數(shù)字部分（第五版）[M].高等教育出版社，2006.</p><p>　　[3]全國大學生電子設計大賽競賽組委會編.第五屆全國大學生電子設計競賽獲獎作品選編[M].北京理工大學出版社，2003.</p><p>　　[4] 全國大學生電子設計大賽競賽組委會編.全國大學生電子設計競賽獲獎作品選編（2003）[M].北

9、京:北京理工大學出版社，2005.</p><p>　　[5]全國大學生電子設計競賽湖北賽區(qū)組委會編 電子系統(tǒng)設計實踐[M].湖北:華中科技大學出版社，2005.</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　數(shù)字信號發(fā)生器是數(shù)字信號處理中不可缺少的調試設備，在生產生活中的應用非常廣泛。本文所設計的內容就是基于Altera公

10、司的現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）實現(xiàn)數(shù)字信號發(fā)生器的設計，F(xiàn)PGA具有密度高，功耗低，體積小，可靠性高等特點，設計時可以不必過多考慮具體硬件連接。</p><p>　　本文論述了利用FPGA進行調頻，設計了一個6位數(shù)字顯示的固定頻率計。它采用Verilog/VHDL硬件描述語言編寫程序，在Quartus II軟件開發(fā)集成環(huán)境下進行仿真，包括設計輸入、編譯、軟件仿真、下載和硬件仿真等全過程。軟件設計模塊分為被測信號

11、、頻率測量、周期測量、數(shù)碼管顯示共四個模塊。硬件采用Altera公司的Cyclone Cyclone Ⅳ E系列芯片EP4CE6F17C8，系統(tǒng)時鐘為50MHZ，調100KHZ加上500KHZ。經(jīng)過仿真下載驗證,能夠實現(xiàn)等精度測頻率和周期的功能，證明該設計方案切實可行。</p><p>　　關鍵詞：變頻；FPGA；Verilog/VHDL語言。</p><p><b>　　ABS

12、TRACT</b></p><p>　　Digital signal transmitter as a test facility is an important part of information processing system. In the production of a wide range of application of life. This content is designe

13、d by Altera, based on field programmable gate array (FPGA) design of digital signal generator, FPGA has a high density, low power consumption, small size, high reliability, can not have too much to consider wher designin

14、g specific hardware connection。</p><p>　　This article discusses frequency measurement technology using FPGA / CPLD, and completes the design of an 8-bit digital precision frequency meter. It based on Verilog

15、 / VHDL description of a programming language under Quartus Ⅱ simulation environment. It is divided into four modules: the measured signal, frequency measurement, period measurement, digital display. Hardware design uses

16、 the development board EP2C8Q208C8N manufactured by Altera's Cyclone II. Its system clock is 50MHZ. This frequency</p><p>　　Key words: Digital frequency meter,；FPGA；Verilog/VHDL.</p><p><

17、b>　　一、ＥＤＡ技術介紹</b></p><p><b>　　1.１EDA介紹</b></p><p>　　EDA是電子設計自動化（Electronic Design Automation）縮寫。EDA技術是以計算機為工具，根據(jù)硬件描述語言HDL（Hardware Description language）完成的設計文件，自動地完成邏輯編譯、化簡、

18、分割、綜合及優(yōu)化、布局布線、仿真以及對于特定目標芯片的適配編譯和編程下載等工作。硬件描述語言HDL是相對于一般的計算機軟件語言，如：C、PASCAL而言的。HDL語言使用與設計硬件電子系統(tǒng)的計算機語言，它能描述電子系統(tǒng)的邏輯功能、電路結構和連接方式。設計者可利用HDL程序來描述所希望的電路系統(tǒng)，規(guī)定器件結構特征和電路的行為方式；然后利用綜合器和適配器將此程序編程能控制FPGA和CPLD內部結構，并實現(xiàn)相應邏輯功能的的門級或更底層的結構網(wǎng)

19、表文件或下載文件。目前，就FPGA/CPLD開發(fā)來說，比較常用和流行的HDL主要有ABEL-HDL、AHDL和VHDL[1]。</p><p>　　1.2VHDL簡單介紹</p><p>　　VHDL是一種主要的硬件描述語言之一，硬件描述語言（HDL）是各種描述方法中最能體現(xiàn)EDA優(yōu)越性的描述方法。所謂硬件描述語言，實際上就是一種描述工具，其描述的對象就是待設計電路系統(tǒng)的邏輯功能，實現(xiàn)該功

20、能的算法，選用的電路結構以及其他各種約束條件等。通常要求HDL既能描述系統(tǒng)的行為，又能描述系統(tǒng)的結構。</p><p>　　VHDL涵蓋面廣，抽象描述強，支持硬件的設計，驗證，綜合和測試。VHDL能在多級別上對同一邏輯功能進行描述。VHDL的基本結構包含一個實體和一個結構體，而完整的VHDL結構還包括配置，程序包與庫。各種硬件描述語言中，VHDL課程設計說明書描述能力最強，因此運用VHDL 進行復雜電路設計時，往

21、往采用自頂向下結構化的設計方法。</p><p>　　1.3QuartusII 簡介</p><p>　　Quartus II 是Altera公司的綜合性PLD開發(fā)軟件，支持原理圖、VHDL、VerilogHDL以及AHDL（Altera Hardware Description Language）等多種設計輸入形式，內嵌自有的綜合器以及仿真器，可以完成從設計輸入到硬件配置的完整PLD設計

22、流程。</p><p>　　二、系統(tǒng)設計原理說明及方案選擇</p><p><b>　　2.1設計要求</b></p><p>　　在本設計中要求設計的簡易信號發(fā)生器是采用VHDL來實現(xiàn)的簡易信號發(fā)生器，它能產生正弦波。設計信號發(fā)生器，使之能夠生成正弦波。電路的外部頻率為50MHz，要求信號發(fā)生器可產生100KHZ+500KHZ的頻率的信號；要

23、求輸出正弦波形，具有頻率選擇的功能；在同一頻率檔內，可實現(xiàn)頻率的加減；要求顯示波形的同時能夠進行頻率的調節(jié)；要求能夠顯示波形——正弦波；要求能夠顯示頻率值；可用示波器進行波形的觀測。</p><p><b>　　2.2設計原理</b></p><p>　　VHDL語言編輯框中依次輸入分頻器、四選一選擇器（可選擇多種波形可以加可以不加本設計只有正弦波）、循環(huán)加法計數(shù)器等

24、4種計數(shù)器、七段譯碼器等功能模塊的VHDL語言源程序。輸入完成之后單擊保存圖標并輸入相應的文件名。保存之后即可對源程序進行編譯。如果編譯成功則源程序完全正確，否則應該返回到出錯處改正錯誤直至編譯成功為止。編譯成功之后選中源程序依次單擊File、NEW、create/updatecreate symbol file for current file便可對相應的模塊生產元器件。本次設計中對頂層文件采取原理圖輸入法，利用前期設計的各模塊的元器

25、件圖連接成整體電路圖。修改設計直至編譯成功為止，電路原理圖如圖2-1所示：</p><p>　　2-1 整體電路原理圖</p><p><b>　　2.3方案選擇</b></p><p>　　方案一：使用ATMEL公司的AT89C51實現(xiàn)一基于單片機S的設計，使用該單片作為控制器件，再輔以其他外圍電路。</p><p>

26、　　方案二：基于EDA技術，用Verilog HDL輸入設計。與原理圖輸入設計相比，當設計的系統(tǒng)比較復雜時，前者有更大的優(yōu)越性，且設計越復雜，前者的優(yōu)點越突出。</p><p>　　由于本設計的系統(tǒng)比較簡單，故選用方案二，基于EDA技術，用Verilog HDL輸入設計。</p><p><b>　　系統(tǒng)硬件</b></p><p>　　本設計

27、使用的FPGA芯片為EP3CE6F17C8芯片，通常情況下在硬件調試的過程中一般使用下載電纜進行下載，而當調試完成以后要用配置芯片對FPGA進行配置。配置芯片在每次系統(tǒng)上電以后自動將配置文件加載到FPGA中形成電路。</p><p>　　圖3-1 EP3CE6F17C8芯片</p><p>　　1）仿真波形正確后，便可進行下載；</p><p>　　2）選擇FPGA

28、系列開發(fā)板試驗開發(fā)系統(tǒng)；</p><p>　　3）使用Cyclone Ⅳ E系列芯片EP4CE6F17C8；</p><p>　　4）先進行引腳鎖定，具體引腳鎖定如圖3-2 ； </p><p>　　5）選擇好硬件和模式后就可以下載到EDA；</p><p>　　圖3-2 正弦信號發(fā)生器引腳選擇</p><p>&l

29、t;b>　　系統(tǒng)軟件</b></p><p>　　本次設計的軟件部分主要運用Altera公司的QuartusⅡ軟件平臺，其開發(fā)流程基本分成2個步驟：</p><p>　　1.設計輸入QuartusⅡ軟件的設計文件可以來自QuartusⅡ5.1設計輸入工具或各種工業(yè)標準的EDA設計輸入工具QuartusⅡ強大的集成功能允許信息在各種應用程序間自由交流，設計者可在一個工程內直

30、接從某個設計文件轉換到其他任何設計文件，而不必理會設計文件是圖形格式、文本格式，還是波形格式。QuartusⅡ具有如下的多種設計輸入方法:原理圖輸入與符號編輯、硬件描述語言、波形設計輸入、平面圖編輯以及層次設計輸入。如此眾多的設計方法幫助設計者輕松地完成設計輸入。</p><p>　　2.項目處理QuartusⅡ處理一個設計時，軟件編譯器讀取設計文件信息，產生用于器件編程、仿真、定時分析的輸出文件。消息處理器可以

31、自動定位編譯過程中發(fā)現(xiàn)的錯誤，編譯器還可以優(yōu)化設計文件。項目處理包括以下基本步驟:</p><p>　　(1)消息處理器自動定位錯誤；</p><p>　　(2)邏輯綜合與試配；</p><p>　　(3)定時驅動編譯；</p><p>　　(4)設計規(guī)則檢查；</p><p><b>　　(5)多器件劃分。

32、</b></p><p><b>　　五、系統(tǒng)調試</b></p><p>　　將程序下載Cyclone系列芯片中，同時在FPGA開發(fā)板上進行硬件驗證。本文提出的數(shù)字頻率計由于采用Verilog語言設計，用一片F(xiàn)PGA實現(xiàn)，因而體積小，功耗低，具有較好的應用前景。但由于結構還比較簡單，有待進一步完善。</p><p>　　通過分析，

33、將50MHZ的系統(tǒng)時鐘產生8MHz 的門控信號和待測的定頻信號，而對輸入系統(tǒng)時鐘clk（50MHz）進行分頻的模塊，設計源代碼對輸入系統(tǒng)時鐘clk（50MHz）進行17分頻產生100KHZ 信號。從工作時序仿真圖可以看出：由系統(tǒng)時鐘提供的50MHz的輸入信號，經(jīng)過信號源模塊，通過17分頻產生100KHZ的時鐘信號，誤差在±0.5之間，達到了設計所需的預期效果。如圖5-1：</p><p>　　圖5-1

34、 正弦信號發(fā)生器仿真波形圖</p><p>　　在Quartus II中將所有功能模塊建立完成后，將各個模塊在頂層圖形文件中連接起來。配置管腳，通過編譯后下載到核心開發(fā)板Cyclone Cyclone Ⅳ E系列芯片EP4CE6F17C8中驗證實驗結果。測試結果通過仿真波形顯示。</p><p>　　通過開發(fā)板驗證表明，按鍵功能正常，頻率測量功能正常，在允許誤差范圍內。通過對實驗結果的分

35、析，在做FPGA設計時，把主要的精力都放在了寫代碼本身，而較少的關注鎖相和分頻分析的問題。實際上，當設計比較簡單，且運行頻率比較低的時候，不加相關的時序約束，F(xiàn)PGA軟件都可以綜合出來可用且相對較可靠的代碼來。但當設計比較復雜，運行頻率比較高的時候，不做時序分析，不加上一些必要的約束，就很難保證設計能且穩(wěn)定的運行在所設定的頻率上。在開始做設計的時候并沒有很在意這方面的問題，今后我們會學習改進。</p><p>&

36、lt;b>　　結果分析及展望</b></p><p>　　通過此次設計實踐，我們對EDA技術有了一些了解，也真正體會到EDA帶來的方便。同時EDA技術比我們想象中的要難的多。里面有很多的思想來源于信息電子技術邏輯算法的設計，需要有很強的C語言編程功底。學習一門知識要從最基本的體系構架開始，倘若一開始就從頂層設計入手，就會造成很多基本原理、基本概念上的偏差，甚里面的基本知識，包括電路的概念以及寄存

37、器傳送的基本知識。VHDL語言與C語言有很大的不同，但是C語言的編程思想也可以移植到VHDL語言當中來，尤其是一些邏輯會拖延設計的時間，事倍功半。</p><p>　　這次實驗讓我學到了很多知識，我獲益匪淺！學會了如何使用Quartus進行verilog語言的編程，也學會了如何對verilog的程序進行仿真，在仿真過程中還學會了如何對幾個端口進行編組，以及如何對一組端口設置波形，還有設置時鐘的波形。最重要的是這次

38、實驗主要是生成block原理圖，我也掌握采用頂層原理圖設計復雜邏輯電路的方法，我還學會了如何由verilog程序生成block圖，也學會了如何對block圖進行仿真。通過仿真，我們能夠很形象地了解到原理圖的功能。體驗到真實實驗中的情境，增加了對電子實驗和電子設計的信心。</p><p>　　雖然課設完成了，但我意識到，我對于這門學科只是停留在入門的階段，只窺得冰山一角，想要有更大的發(fā)展，還需要深入的研究，還需要努

39、力學習和實踐。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1]潘松,黃繼業(yè).EDA技術與VHDL（第2版）[M].北京:清華大學出版社,2007.</p><p>　　[2]康華光.電子技術基礎數(shù)字部分（第五版）[M].高等教育出版社，2006.</p><p>　　[3]全國大學生電子設計大賽

40、競賽組委會編.第五屆全國大學生電子設計競賽獲獎作品選編[M].北京理工大學出版社，2003.</p><p>　　[4] 全國大學生電子設計大賽競賽組委會編.全國大學生電子設計競賽獲獎作品選編（2003）[M].北京:北京理工大學出版社，2005.</p><p>　　[5]全國大學生電子設計競賽湖北賽區(qū)組委會編 電子系統(tǒng)設計實踐[M].湖北:華中科技大學出版社，2005.</p&g