实验题目：基于FPGA 的数字频率计的设计与实现

1. 课程简要信息

课程名称，课程学时，适用专业，学生年级

本实验是“现代电子技术综合实验”课程中的实验项目之一。“现代电子技术综合实验”课程学时数为 40 学时，面向电子信息类专业的大三学生开出，要求学生从给出的若干个实验项目中任选一个完成。

2. 实验内容与任务（限500字）

项目需要完成的任务（如需要观察的现象，分析某种现象的成因、需要解决的问题等）；是否设计有不同层次的任务。

本设计要求利用 FPGA 设计实现数字频率计，技术指标及要求如下：

基本指标及要求：

1）被测信号为 TTL逻辑电平信号；
2）测试频率范围： $1 \mathrm { H z } { \sim } 1 0 \mathrm { M H z }$ ；
3）量程分为三档：第一档：1Hz—99.999KHz第二档：100KHz—999.99KHz第三档：1000KHz—9999.9KHz。

4） 用 5 只数码管显示，能够实现无意义零消隐；

5）测量相对误差小于 $1 %$ ；
6）手动或者自动切换量程；
扩展指标及要求：
1）被测信号改为正弦波,有效值 10mV—1V；
2）完成放大整形电路的设计和制作；

3. 实验过程及要求（限300字）

如对学生在实验过程中在需求分析、资料查询、自学预习、思考讨论、方法设计、进程规划、软件仿真、平台构建、器件选择、表格设计、现象观察、数据测试、问题分析、总结报告、验收答辩、演讲交流等各方面的要求。

1. 在课堂讲解 VHDL 的基础上，进一步自学 VHDL 的基本语言要素及语句，体会 VHDL的硬件特性。

2. 自学开发工具软件的使用。

3. 分析系统工作原理，并根据技术指标及实验开发板现有条件，设计实验原理框图。

4. 设计各单元电路， 并利用软件对各单元电路进行仿真及优化。

5. 将各单元电路组成完整的系统，并进行系统仿真。

6. 设计和制作放大整形电路；

7. 在实验开发板上完成系统的硬件实现。

8. 完成系统功能调试及测试。

9. 按照指导教师要求逐项验收实验结果，并回答教师提问。

10. 撰写设计报告。

4. 相关知识及背景（限150字）

项目涉及的知识方法、实践技能、应用背景、工程案例。

本实验以 FPGA 为核心器件设计实现一个数字频率计。首先对正弦波进行放大整形，转换成同频率的方波，输入 FPGA 中，利用硬件描述语言完成控制、频率测量及显示电路的设计。涉及放大、整形、等精度测频、控制信号时序关系设置、数据锁存及显示等相关知识的应用。

5. 教学目标与目的（限100字）

如学习、运用知识、技术、方法；培养、提升能力、素质。

在小型数字系统设计过程中引导学生了解并掌握现代电子技术的应用；学习利用 FPGA实现数字系统的设计方法；引导学生综合运用所学知识解决实际问题，并通过测试与分析对项目作出技术评价；提高学生撰写科技论文的能力。

6. 教学设计与引导

如预习要求及检查；课堂知识讲解、方法引导、背景解释；实验中的方法指导，问题设置、思路引导等。研讨主题、观察节点、验收重点、质询问题的设计等。

本实验的过程是一个比较完整的数字系统设计，需要经历学习研究、系统方案设计、实现、调试、测试、设计总结等过程。在实验教学中，应在以下几个方面加强对学生的引导：

1）掌握频率计的工作原理，了解不同频率测量方法的误差，根据指标要求确定频率测量方案。

2） 掌握放大整形电路工作原理，设计时考虑的主要参数，根据设计要求选择合适的器件。

3）完成放大整形电路的设计、仿真及制作；

4）了解 FPGA基本工作原理、芯片结构及开发流程等；

5） 掌握 VHDL 的基本结构、数据类型及基本语句等基本语言要素，体会 VHDL语言硬件特性；

6）学习分频器电路的设计方法，掌握利用VHDL实现分频的基本原理，能够根据系统要求设计

分频器并仿真；

7） 学习动态扫描数码管显示电路的设计方法，学会如何通过控制数码管的位选和段选信号实现不同的显示效果；

8）学习 IP 核的调用方法。

9） 学习数字系统设计中，各控制信号之间时序关系的设计。

10）掌握层次化的设计方法，构建完整的系统；

11）实验中引导学生根据仿真结果和实验现象分析问题可能出现的原因及探究解决方法；

12）引导学生分析测试结果和误差产生的原因，思考系统指标性能改善的方法；

13）在实验完成后，组织优秀学生以项目演讲、答辩、评讲的形式进行交流，了解不同解决方案及其特点，拓宽知识面；

14）在设计中，要求学生注意程序设计的规范性；设计完成后，要求学生规范撰写设计报告，全面反映设计过程。

7. 实验原理及方案

实验的基本原理、完成实验任务的思路方法，可能采用的方法、技术、电路、器件。

1） 对系统的设计任务进行具体分析，充分理解题目的要求、每项指标的含义。

2） 针对实验项目提出的任务、要求和条件，查阅资料，广开思路，提出多种实现方案；仔细分析每个方案的可行性和优缺点，加以比较，从中选取合适的方案。

3） 将系统分解成若干个模块，明确每个模块的功能、各模块之间的连接关系以及信号在各模块之间的流向等等。构建总体方案与框图，清晰地表示系统的工作原理、各单元电路的功能、信号的流向及各单元电路间的关系。

4） 频率测量主要有三种方法：直接测频法、周期测频法和等精度测频法。前两种方法的测量精度都随着被测信号频率的变化而变化，因而无法做到在整个频带内实现等精度测量。等精度测频法由于被测信号与闸门信号的同步，使得对被测信号的计数不会产生 $\pm \nobreakspace 1 \nobreakspace$ 误差。被测信号的频率变化也不会影响测量精度。

5） 本实验采用等精度测频的方法，实现方案如图所示：

放大整形模块：该模块由放大器和比较器组成，将被测正弦波放大后，通过比较器转换为同频率的方波。

分频模块：本模块的功能是将系统时钟分频后，为各个模块提供各自的工作时钟。由于实验板上提供的标准时基信号是 48MHz，因此需要对 48MHZ 的信号进行分频。分频器的设计采用基于计数器的方法来实现。

D 触发器：实现被测信号与闸门信号的同步

时序控制模块：产生闸门、锁存、清零三个信号正确的时序关系，即：在闸门开启时间内计数器计数，计数完成后锁存，锁存后并且在下一次闸门开启前清零。

计数器 1：对被测信号进行计数，计数结果为 $N _ { 1 }$ 计数器 2：对基准信号进行计数,计数结果为 $N _ { 2 }$

计算：根据等精度测频原理，被测信号频率 $f _ { x } = \frac { N _ { 1 } } { N _ { 2 } } f _ { c }$ ，其中， $f _ { c }$ 为基准信号频率。本模块的功能是根据上式计算出被测信号的频率，计算过程中的乘除法运算可以通过调用 IP 核实现。

码制转换模块：将二进制数转换为十进制数。

数码管显示模块：根据动态扫描的显示方式产生位选和段选控制信号，显示出所产生波形的频率值，可由计数器、数据选择器、七段译码器、3-8 译码器组成；同时根据模式选择及频率值确定小数点位置及无意义零的消隐。

模式选择模块：首先对按键消抖，可采用同步整形法、计数延时法消除机械按键的抖动；然后根据按键信号，产生 4 种模式（手动档 3 个不同量程及自动档）的编码信号。

8. 教学实施进程

简要介绍实验实施进程的各个环节（如任务安排、预习自学、现场教学、分组研讨、现场操作、结果验收、总结演讲、报告批改等）中，教学设计的思路、目的，教师、学生各自需要完成的工作任务，需要关注的重点与细节。

（1）教学阶段

1、学习频率计的测频原理
2、学习放大整形电路的工作原理，讨论放大整形电路设计中需要考虑的因素
3、学习 VHDL，理解 VHDL 语言硬件特性；
4、学习分频器、计数器、动态扫描显示、按键消抖等主要功能模块的设计方法

（2）自主实验阶段

1、自学开发工具软件的使用
2、分析比较各种测频方法的误差，确定测频方法
3、设计原理框图
4、利用 VHDL 设计单元电路及仿真
5、选择器件，完成放大整形电路的设计、仿真及制作
6、系统实现及调试、测试

（3） 实验验收阶段
教师验收实验结果，针对设计对学生进行提问；
（4）交流、评讲阶段
组织优秀学生交流设计经验和方法、教师评讲；
（5）测验阶段
在规定时间完成一个小功能电路的设计、仿真、下载实现（6）撰写设计报告

9. 实验报告要求

需要学生在实验报告中反映的工作（如：实验需求分析、实现方案论证、理论推导计算、设计仿真分析、电路参数选择、实验过程设计、数据测量记录、数据处理分析、实验结果总结等等）

实验报告需要反映以下工作：

1）实验需求分析
2）系统实现方案
3）单元电路设计、仿真及结果分析
4）系统整体设计及仿真及结果分析
5）硬件电路实现及测试
6）实验数据记录
7）数据分析
8）实验总结

10.考核要求与方法（限300字）

考核的节点、时间、标准及考核方法。

1） 实物验收：功能与性能指标的完成程度，完成时间。
2）设计质量：电路设计的优化情况。
3） 自主创新：功能构思、电路设计的创新性，自主思考与独立实践能力。
4）实验报告：实验报告的规范性与逻辑性。
5） 测验：在规定时间（1 小时）完成一个小功能电路的设计、仿真、下载实现

11. 项目特色或创新（可空缺，限 150字）

本项目与工程应用相结合，以 FPGA 为核心器件，利用 VHDL 编程实现硬件电路的设计，涉及常用数字逻辑电路的设计，IP核的调用。同时通过实验中部分硬件电路的设计制作及引导学生关注测量精度，增强学生工程应用意识。

实验案例信息表