数字式多用电信号测量仪的ASIC设计与制作 二

数字式多用电信号测量仪的ASIC设计与制作

摘  要：本设计为一个数字式多用电信号测量仪，测量频率范围为64Hz-1MHz的周期性确定信号（如正弦波、三角波、阶梯波、锯齿波、脉冲信号、斜波等）的频率、周期、电压平均值、电压峰峰值。    系统采用超高速视频闪烁A/D转换器对两个通道的被测信号进行电压的数据采样；采用4*4的键盘作输入选择被测量的通道和项目；采用两组LED显示器实现对结果和被测信号量和项目的显示；采用FPGA作中央处理单元，用纯软件的方法实现对被测信号的整形，完成频率、周期、电压平均值、电压峰峰值的数据处理及与键盘、显示器、A/D转换器的通信。　　在设计中选用Altera公司的EPLK10作为主芯片，所有的设计在EDA软件开发平台MAX+PLUSⅡ利用硬件描述语言VHDL进行设计编程，整个系统调试方便，硬件简单，易于实现，测试结果表明，本设计达到设计要求中的精度和各方面的功能指标。

关键词： VHDL；EDA；MAX+PLUSⅡ；数字式多用电信号测量仪；FPGA；PLD。

目  录

摘  要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

第1章EDA基础 7

1.1电子设计自动化（EDA） 7

1.2 FPGA/CPLD简介 8

1.3 VHDL语言简介 9

1.3.1 VHDL语言简介 9

1.3.2 VHDL语言编程 10

1.3.3 VHDL书写准则 11

1.4 MAXPLUSⅡ简介 11

第2章  硬件设计 14

2.1 信号的采集 14

2.1.1 采集方式 14

2.1.2模拟通道的选择 14

2.1.3 A/D 转换器的选择 15

2.2  人机交互设备接口 20

2.2.1键盘 20

2.2.2 LED显示器 23

2.3 中央处理单元 25

第3章  软件设计 27

3.1 数字集成系统的设计 27

3.1.1 FPGA设计 27

3.2 软件方案论证 30

3.3数字整形 34

3.3.1 数字滤波 34

3.3.2单调性分析 37

3.4 电压测量 39

3.4.1电压测量的数字化方法 39

3.4.2电压幅度的测量原理 40

3.4.3电压测量的硬件设计 42

3.5 频率/周期测量 47

3.5.1测量原理 47

3.5.2频率/周期的测量误差与测量范围 50

3.5.3 用VHDL构造BCD码计数器系统模型 52

3.6 相位差测量 54

3.6.1测量原理及方案论证 54

3.6.2 相位差方案论证及结构化设计 55

3.7 控制器和数据路径设计 60

3.7.1调度的概念 63

3.7.2.控制器模型和数据路径模型 64

3.7.3 系统控制信号发生器. 67

第4章  硬件系统调试 68

4.1 系统功能调试 68

4.1.1 FPGA芯片的设计与调试 68

4.1.2 掉电保护方案 68

4.2 测试方法和数据 68

4.2.1 测量仪器 68

4.2.2 参数测试 69

参考文献 73

第5章  附录 74

5.1 仪器设备清单 74

5.2 元器件明细表 74

5.3 系统使用说明 74

5.4 顶层模块图 76

5.5 程序清单 78

5.5.1键盘接口程序 78

5.5.2 LED显示器接口程序 79

5.5.3 频率、周期、相位差 81

5.5.4 电压平均值 83

5.5.5 数字整形 85

5.5.6控制信号发生器 87

5.5.7终端控制器 89

5.5.8中央控制器 90

5.7软件仿真波形 92

致   谢 93