基于FPGA的高精度数字电源

电气传动自动化

E LECTRIC D RIVE AUTOMATI O N 2005年第27卷第4期第33页

V ol.27,N o.42005,27(4):33～35

文章编号:1005—7277(2005)04—0033—03

1引言

在信息技术高速发展的今天,电子系统数字化已经成为有目共睹的趋势,从传统应用中小规模芯片构造电路系统到广泛地应用单片机,到今天DSP 及FPG A 在系统设计中的应用,电子设计技术已迈入了一个全新阶段。FPG A 不仅具有容量大,逻辑功能强的特点,而且兼有高速、高可靠性。随着E DA 技术的发展和V LSI 工艺技术的进步,特别是软/硬件IP 芯核产业的迅猛发展,可编程片上系统(SOPC )己经大量使用。本文通过对高精度数字电源系统的研发,提出了FPG A 在数字电

源控制器的应用思路。

2系统组成

本系统是以单片现场可编程门阵列(FPG A )为

基础的全数字控制的高精度开关电源。数字控制的H 桥脉宽调制的DC -DC 变换器电源系统如图1所示。

图中,功率主电路由三相整流器、低频LC 滤波电路、DC —DC 功率变换器、输出高频滤波电路等几部分构成;控制及调节功能主要由基于FPG A 的数字电源控制器完成,可以按设计要求来调节电源输出电压、电流。

FPG A 中主要分两大模块,第一个模块是由软核CPU 组成的通讯管理模块;第二个模块由几个DSP 块组成,主要完成调节器的PI 或PI D 运算、高分辨率PWM 信号的产生以及数字滤波等。

在PWM 开关电源中,PWM 波形的产生及其准确调制至关重要。当使用FPG A 数字控制器时,电流环及电压环的调节方式为数字化的PI (比例积分)或PI D (比例积分微分)调节,反馈电流或电压信号经过A/D (模拟/数字)转换后输入到控制器,由控制器调节脉冲的宽度。

采用上述方案的数字化电源相对于传统的模拟控制方式,具有显而易见的优势。对于不同的负载对象,可以通

基于FPG A 的高精度数字电源

Hi g h -p ecision di g ital p ow er su pp l y desi g n based on FPGA

高延方,郭宏林,张文庆,王有云

(天水电气传动研究所,甘肃天水741018)

摘要:提出一种新颖的数字化高精度电源控制调节方案。由于数字器件的迅速发展,有效推动了电源系统的发展。同时,许多特殊应用领域对电源的网络化管理、以及针对多样化的电源拓扑结构的易重置性等均提出了新的要求。对基于FPG A 控制器的数字化开关电源,从系统的角度分析并探讨了调节算法、PWM 波形生成以及网络通讯等关键问题的实现方式。关键词:高精度;开关电源;FPG A ;N ios ;PWM 中图分类号:T M91

文献标识码:

电气传动自动化

?34?2005年第4期

过在软件中修改调节器参数来满足指标要求,并且可以按照实际需要自由配置成为单环或双环控制系统。这些都是在软件中完成的,系统控制调节单元的硬件无需重复配置。

3软核N ios CPU

在QuartusII开发软件中使用SOPC Builder开发工具可以快速构造一个N ios软核CPU,嵌入到FPG A器件中,N ios软核CPU如图2所示。

在本例中构造了UART-RS232、Ethernet通讯功能,LCD液晶屏显示功能,数字量、

开关量I/O及外部数据存储管理等

功能,通过N ios II的集成开发环境

N ios II I DE,使用C/C++高级语言对

N ios软核CPU进行编程。就能完成

FPG A同上位机RS232口或者Ethernet

网的通讯、本地信息采集及显示、数据存储管理等。在FPG A内部通过地址总线和数据总线来管理其他DSP块或IP核的协调工作。

4调节器算法(PI或PI D)

调节器的算法在数字电源是一个至关重要的环节,它的好坏直接影响到电源系统的各项性能指标。

以某加速器六极磁铁所需电源为对象,主要参数如下:

磁铁:Rm=0.14H,Lm=0.266mΩ

电源:Un=70V,电压纹波小于1×10-3(1kH z 以下);

In=200A,电流纹波小于5×10-5,跟踪误差小于1×10-4。

若采用电流单闭环控制,并采用PI调节器,仿真的系统模型如图3所示。

图3中,上位电流给定信号通过16位DAC转换后,与DCCT输出的电流反馈信号进行比较,得到误差信号,此误差经过误差放大器放大后送入PI调节器,由调节器的输出来控制PWM并驱动功率器件,从而实现负载对象所要求的高精度输出电流。

在M atlab/S imulink中对图3所示系统加以斜坡给定,可仿真得到系统响应如图4所示。可以看出系统无超调,跟踪误差小于0.02A(0.02/200= 1×10-4),满足系统要求的指标。

仿真完成后可以通过DSP Builder系统设计工具构造一个含有H DL语言的PI D功能的DSP块。这个DSP块可以作为一个IP核供FPG A直接调用。其输出用于PWM调制

。

2005年第4期?35?

高延方,郭宏林,张文庆等基于FPG A 的高精度数字电源收稿日期:5高精度PWM 脉冲的生成

FPG A 实现PWM 部分设计框图如图5所示。

PWM 的生成主要由脉宽寄存器、缓冲寄存器、

周期寄存器、死区寄存器、死区发生器、数值比较器、控制逻辑等部分组成。脉宽寄存器,决定各路

PWM 信号的脉宽;缓冲寄存器,实现对脉宽数据的

缓冲;周期寄存器,决定PWM 的斩波周期;死区寄存器,决定H 桥臂的死区时间。脉宽寄存器在每个开关周期更新一次,其输出数据经缓冲后与基准计数器进行数值比较,得到各路PWM 信号。再经死区电路处理,最后产生4路PWM 驱动信号,驱动相应的功率器件。

基准计数器,用来产生类似模拟电路中的三角波基准,是一个最小计算值为0,最大计算值为周期寄存器中保存的数值、计数方向交替变换的可逆

计数器。基准计数单元在最大计数值时产生一个

同步信号SY N ,当其有效时将4个脉冲宽度的数据存入各自的缓冲寄存器,实现双缓冲,使各个脉冲宽度寄存器在SY N 无效时可依次更新而不影响最终的功率器件导通。

6结束语

本文以FPG A 芯片EP1C20为核心,叙述了实现数字化电源控制调节器的一种方法,根据现场工艺要求在FPG A 中可灵活配置控制方案而无需重新配置硬件,外围电路(如ADC 、DAC 等)选用高精度、低温漂的器件,从而实现高精度的数字化电源,这是模拟系统所不及的。同时,由于控制调节的核心采用了数字化电路,系统自身的抗干扰能力明显优于模拟系统。

目前,在很多应用领域中,需要数十台甚至更多电源同时协调工作,即适应网络化电源应用,而上述方案的数字化电源,通过N ios 软核CPU 的强大通讯功能,可以很方便的实现批量电源的网络化管理。

参考文献:

[1]褚振勇,翁木云著.FPG A 设计及应用[M].西安电子科技

大学出版社,2002.

[2]彭澄廉,周博等.挑战SOC —基于NI OS 的SOPC 设计与

实现[M].清华大学出版社,2004.

[3]许强等.基于FPG A 的三相PWM 发生器.电子技术应用.2001,27(1):73～74.

[4]黄忠霖著.控制系统M atlab 计算及仿真[M].国防工业出版

社,2001.

收稿日期:2004-07-

(上接第32页)系统的仿真模型。从仿真结果看出,该电机模型与控制系统跟实验的相符合,达到仿真的目的。同时,该模型具有通用性,整个系统做成界面型,不同的永磁无刷电机只需输入其相应的参数,就可以进行仿真。

因此,用M AT LA B/SIMU LINK 软件对电机系统进行仿真是一种很好的研究方法,可以缩短科研开发的周期,同时可以尝试不同的控制策略,为设计和分析永磁无刷直流电机及其控制系统提供了有效的手段和工具。

参考文献:

[1]王沫然.S imulink4建模及动态仿真.电子工业出版社,

2002.

[2]李钟明,刘卫国.稀土永磁电机.国防工业出版社,1999.[3]邓兵,潘俊民.无刷直流电机控制系统计算机仿真[J ].计

算机仿真.2002,9.作者简介:

包向华(1980-),男,上海大学硕士研究生,主要从事电机驱动控制等方面的研究。

章跃进(1986-),男,副教授,主要从事电机电磁场和动态仿真研究。

2004-08-20

基于FPGA的数字时钟的设计1

基于FPGA的数字时钟的设计课题: 基于FPGA的数字时钟的设计学院: 电气信息工程学院专业: 测量控制与仪器班级 : 08测控(2)班姓名 : 潘志东学号 : 08314239 合作者姓名: 颜志林 2010 年12 月12 日

综述近年来随着数字技术的迅速发展,各种中、大规模集成电路在数字系统、控制系统、信号处理等方面都得到了广泛的应用。这就迫切要求理工科大学生熟悉与掌握常用中、大规模集成电路功能及其在实际中的应用方法,除通过实验教学培养数字电路的基本实验方法、分析问题与故障检查方法以及双踪示波器等常用仪器使用方法等基本电路的基本实验技能外,还必须培养大学生工程设计与组织实验能力。本次课程设计的目的在于培养学生对基本电路的应用与掌握,使学生在实验原理的指导下,初步具备基本电路的分析与设计能力,并掌握其应用方法;自行拟定实验步骤,检查与排除故障、分析与处理实验结果及撰写实验报告的能力。综合实验的设计目的就是培养学生初步掌握小型数字系统的设计能力,包括选择设计方案,进行电路设计、安装、调试等环节,运用所学知识进行工程设计、提高实验技能的实践。数字电子钟就是一种计时装置,它具有时、分、秒计时功能与显示时间功能;具有整点报时功能。本次设计我查阅了大量的文献资料,学到了很多关于数字电路方面的知识,并且更加巩固与掌握了课堂上所学的课本知识,使自己对数字电子技术有了更进一步的认识与了解。

1、课题要求 1、1课程设计的性质与任务本课程就是电子与信息类专业的专业的专业基础必修课——“数字电路”的配套实验课程。目的在于培养学生的理论联系实际,分析与解决问题的能力。通过本课程设计,使学生在理论设计、计算机仿真、指标调测、故障排除等方面得到进一步的训练,加强学生的实践能力。学生通过设计、仿真、调试、撰写设计报告等过程,培养学生的动手能力与严谨的工作作风。 1、2课程设计的基本技术要求 1)根据课题要求,复习巩固数字电路有关专业基础知识; 2)掌握数字电路的设计方法,特别就是熟悉模块化的设计思想; 3) 掌握QUARTUS-2软件的使用方法; 4) 熟练掌握EDA工具的使用,特别就是原理图输入,波形仿真,能对仿真波形进行分析; 5) 具备EDA技术基础,能够熟练使用VHDL语言进行编程,掌握层次化设计方法; 6) 掌握多功能数字钟的工作原理,学会不同进制计数器及时钟控制电路的设计方法; 7) 能根据设计要求对设计电路进行仿真与测试; 8) 掌握将所设计软件下载到FPGA芯片的下载步骤等等。 9) 将硬件与软件连接起来,调试电路的功能。 1、3课程设计的功能要求基本功能:能进行正常的时、分、秒计时功能,分别由6个数码管显示24小时,60分钟,60秒钟的计数器显示。附加功能:1)能利用硬件部分按键实现“校时”“校分”“清零”功能; 2)能利用蜂鸣器做整点报时:当计时到达59’59’’时开始报时, 鸣叫时间1秒钟; 3)定时闹铃:本设计中设置的就是在七点时进行闹钟功能,鸣叫过程中,能够进行中断闹铃工作。本人工作:负责软件的编程与波形的仿真分析。 2、方案设计与分析

基于FPGA的数字钟设计

摘要伴随着集成电路技术的发展, 电子设计自动化(EDA)技术逐渐成为数字电路设计的重要手段。基于FPGA的EDA技术的发展和应用领域的扩大与深入，使得EDA技术在电子信息，通信，自动控制，计算机等领域的重要性日益突出。本设计给出了一种基于FPGA的多功能数字钟方法，采用EDA作为开发工具，VHDL语言和图形输入为硬件描述语言，QuartusII作为运行程序的平台，编写的程序经过调试运行，波形仿真验证，下载到EDA实验箱的FPGA芯片，实现了设计目标。系统主芯片采用CycloneII系列EP2C35F672C8。采用自顶向下的设计思想，将系统分为五个模块:分频模块、计时模块、报时模块、显示模块、顶层模块。用VHDL语言实现各个功能模块, 图形输入法生成顶层模块. 最后用QuartusII 软件进行功能仿真, 验证数字钟设计的正确性。测试结果表明本设计实现了一个多功能的数字钟功能，具有时、分、秒计时显示功能，以24小时循环计时；具有校正小时和分钟的功能；以及清零，整点报时功能。关键词：EDA技术；FPGA；数字钟；VHDL语言；自顶向下

Abstract Accompanied by the development of integrated circuit technology, electro nic design automation (EDA) technology is becoming an important means of digital circuit design. FPGA EDA technology development and expansion of a pplication fields and in-depth, the importance of EDA technology in the field of electronic information, communication, automatic control, computer, etc. hav e become increasingly prominent. This design gives a FPGA-based multifunctional digital clock using ED A as a development tool, VHDL language and graphical input hardware descri ption language, the QuartusII as a platform for running the program, written procedures debugging and running, the waveform simulation downloaded to th e FPGA chip to achieve the design goals. The main system chip CycloneII series EP2C35F672C8. Adopted a topdw n design ideas, the system is divided into five modules: frequency module, ti ming module, timer module, display module, the top-level module. With VHD L various functional modules, graphical input method to generate the top-level module. Last QuartusII under simulation, to verify the correctness of the digi tal clock design. The test results show that the design of a multifunctional digital clock, with seconds time display, 24-hour cycle timing; has a school, cleared, and th e whole point timekeeping functions. Key words: EDA technology; FPGA; VHDL language; top-down; digital cloc k

全国大学生电子设计大赛题一等奖数字频率计

2015 年全国大学生电子设计竞赛全国一等奖作品设计报告部分错误未修正，软件部分未添加竞赛选题：数字频率计（F 题）

摘要本设计选用FPGA 作为数据处理与系统控制的核心，制作了一款超高精度的数字频率计，其优点在于采用了自动增益控制电路（AGC）和等精度测量法，全部电路使用PCB 制版，进一步减小误差。 AGC 电路可将不同频率、不同幅度的待测信号，放大至基本相同的幅度，且高于后级滞回比较器的窗口电压，有效解决了待测信号输入电压变化大、频率范围广的问题。频率等参数的测量采用闸门时间为1s 的等精度测量法。闸门时间与待测信号同步，避免了对被测信号计数所产生±1 个字的误差，有效提高了系统精度。经过实测，本设计达到了赛题基本部分和发挥部分的全部指标，并在部分指标上远超赛题发挥部分要求。关键词：FPGA 自动增益控制等精度测量法

1. 系统方案 1.1. 方案比较与选择宽带通道放大器方案一：OPA690 固定增益直接放大。由于待测信号频率范围广，电压范围大，所以选用宽带运算放大器OPA690，5V 双电源供电，对所有待测信号进行较大倍数的固定增益。对于输入的正弦波信号，经过OPA690 的固定增益，小信号得到放大，大信号削顶失真，所以均可达到后级滞回比较器电路的窗口电压。方案二：基于VCA810 的自动增益控制（AGC）。AGC 电路实时调整高带宽压控运算放大器VCA810 的增益控制电压，通过负反馈使得放大后的信号幅度基本保持恒定。尽管方案一中的OPA690 是高速放大器，但是单级增益仅能满足本题基本部分的要求，而在放大高频段的小信号时，增益带宽积的限制使得该方案无法达到发挥部分在频率和幅度上的要求。方案二中采用VCA810 与OPA690 级联放大，并通过外围负反馈电路实现自动增益控制。该方案不仅能够实现稳定可调的输出电压，而且可以解决高频小信号单级放大时的带宽问题。因此，采用基于VCA810 的自动增益控制方案。正弦波整形电路方案一：采用分立器件搭建整形电路。由于分立器件电路存在着结构复杂、设计难度大等诸多缺点，因此不采用该方案。方案二：采用集成比较器运放。常用的电压比较器运放LM339 的响应时间为1300ns，远远无法达到发挥部分100MHz 的频率要求。因此，采用响应时间为4.5ns 的高速比较器运放TLV3501。主控电路方案一：采用诸如MSP430、STM32 等传统单片机作为主控芯片。单片机在现实中与FPGA 连接，建立并口通信，完成命令与数据的传输。方案二：在FPGA 内部利用逻辑单元搭建片内单片机Avalon，在片内将单片机和测量参数的数字电路系统连接，不连接外部接线。在硬件电路上，用FPGA 片内单片机，除了输入和输出显示等少数电路外，其它大部分电路都可以集成在一片FPGA 芯片中，大大降低了电路的复杂程度、减小了体积、电路工作也更加可靠和稳定，速度也大为提高。且在数据传输上方便、简单，因此主控电路的选择采用方案二。

fpga数字钟课程设计报告

f p g a数字钟课程设计报告 Prepared on 24 November 2020

课程设计报告设计题目：基于FPGA的数字钟设计班级：电子信息工程1301 姓名：王一丁指导教师：李世平设计时间：2016年1月摘要 EDA（Electronic Design Automation）电子设计自动化，是以大规模可编程器件为设计载体，以硬件描述语言为系统逻辑描述的主要表达方式，通过相关的软件，自动完成软件方式设计得电子系统到硬件系统，最终形成集成电子系统或专用集成芯片。本次课程设计利用Quartus II 为设计软件，VHDL为硬件描述语言，结合所学知识设计一个多功能时钟，具有显示年、月、日、时、分、秒显示，计时，整点报时，设定时间等功能。利用硬件描述语言VHDL 对设计系统的各个子模块进行逻辑描述，采用模块化的思想完成顶层模块的设计，通过软件编译、逻辑化简、逻辑综合优化、逻辑仿真、最终完成本次课程设计的任务。关键词：EDA VHDL语言数字钟目录摘要 1 课程设计目的 2 课程设计内容及要求

设计任务设计要求 3 VHDL程序设计方案论证系统结构框图设计思路与方法状态控制模块时分秒模块年月日模块显示模块扬声器与闹钟模块 RTL整体电路 4 系统仿真与分析 5 课程设计总结，包括.收获、体会和建议 6 参考文献 1 课程设计目的 (1)通过设计数字钟熟练掌握EDA软件(QUARTUS II)的使用方法，熟练进行设计、编译，为以后实际工程问题打下设计基础。 (2)熟悉VHDL 硬件描述语言，提升分析、寻找和排除电子设计中常见故障的能力。 (3)通过课程设计，锻炼书写有理论根据的、实事求是的、文理通顺的课程设计报告。

等精度频率计的实验报告

数字频率计摘要以FPGA（EP2C8Q208C8N）为控制核心设计数字频率计，设计采用硬件描述语言Verilog 该作品主要包括FPGA控制、数码管模块、信号发生器、直流电源模块、独立按键、指示灯模块。主要由直流电源供电、数字信号发生器输出信号，FPGA 控制信号的采集、处理、输出，数码管显示数据，按键切换档位，指示灯显示档位。作品实现了测频、测周、测占空比，能准确的测量频率在10Hz 到100kHz之间的信号。关键字: 频率计等精度 FPGA （EP2C8Q208C8N）信号发生器Verilog语言

一、系统方案论证与比较根据题目要求，系统分为以下几个模块，各模块的实现方案比较选择与确定如下： 1．主控器件比较与选择方案一：采用FPGA（EP2C8Q208C8N）作为核心控制，FPGA具有丰富的I/O 口、内部逻辑和连线资源，采集信号速度快，运行速度快，能够显示大量的信息，分频方便。方案二：采用SST89C51作为主控器件，虽然该款单片机较便宜，但运行速度较慢，不适合对速度有太大要求的场合，并且不带AD，增加了外围电路。综上所述，主控器件我选择方案一。 2.测量方法的比较与选择方案一：采用测频法测量。在闸门时间内对时钟信号和被测信号同时计数，由于在闸门闭合的时候闸门时间不能是被测信号的整数倍，导致计数相差为一个被测信号时间，所以测频法只适合频率较高的测量。方案二：采用测周法测量。用被测信号做闸门，在闸门信号内对时钟信号计数，由于在闸门闭合的时候闸门时间不能是时钟信号的整数倍，导致计数相差为一个时钟信号时间，所以测周法只适合较低频率的测量。方案三：采用等精度法和测周法结合的方法。用等精度发测量1KHZ以上的频率，测周法测量1KHZ一下的频率。这种方法取长补短，既能准确的测高频又能测低频。综上所述，测量方法我选用方案三。 3. 界面显示方案的选择方案一：采用数码管显示，控制程序简单，价格便宜，显示直观。方案二：液晶5110，虽然体积小，可以显示各种文字，字符和图案。考虑到数码管完全可以满足数据显示要求，所以显示部分我选用方案一。二、理论分析与计算 1、键盘设计系统中我们采用独立键盘，用2个I/O控制2个键。原理是将2个I/O口直接接键盘的2个引脚，低电平有效，这种键盘的优点反应的速率快。 2、计算公式（1）测频： 1khz以上：被测频率=时钟频率*（被测频率计数/时钟频率计数） 1khz以下：被测频率=时钟频率/（时钟频率在被测信号高电平计数+时钟频率在被测信号低电平计数）

FPGA的数字电路设计综述

封面

作者：PanHongliang 仅供个人学习 1 数字电子基础4 1.1 导读4 1.2 数字电路概述4 1.2.1 数字信号与数字电路4 1.2逻辑函数及其表示方法5 1.2.1逻辑代数5

1.2.2逻辑函数的表示方法及相互转换5 1.3逻辑函数的公式化简法6 1.3.1逻辑函数的不同表达方式6 1.3.2逻辑函数的公式化简法6 1.4逻辑函数的卡诺图化简法7 1.4.1逻辑函数的最小项及其表达式7 1.4.2逻辑函数的卡诺图表示法7 1.4.3用卡诺图化简逻辑函数8 2逻辑门电路8 2.1 导读8 2.1逻辑门电路9 2.1.1三种基本门电路9 2.1.2 DTL与非门10 2.2 TTL逻辑门电路10 2.2.1 TTL与非门的电路结构10 2.2.2 TTL与非门的工作原理10 2.3 其他类型的TTL门电路11 2.3.1集电极开路与非门（OC门）11 2.3.2三态门（TSL门）11 2.4多余输入端的处理12 3组合逻辑13 3.1 导读13 3.2组合逻辑电路基础13 3.2.1组合逻辑电路的基本概念13 3.2.2组合逻辑电路的分析方法14 3.2.3组合逻辑电路的设计方法14 3.3常用组合逻辑建模14 3.3.1编码器14 3.3.2 译码器和数据分配器16 3.3.3数据选择器18 3.3.4数值比较器19 3.3.5加法器（减法器）20 3.3.6乘法器22 3.3.7除法器24 4触发器24 4.1导读24 4.2触发器的电路结构及工作原理24 4.2.1基本RS触发器(异步)24 4.2.2同步RS触发器25 4.2.3主从触发器和边沿触发器26 4.3触发器的功能分类及相互转换27 4.3.1触发器的功能分类27 4.3.2不同类型时钟触发器的相互转换28 5时序逻辑电路29

FPGA实训报告——简易数字钟

桂林电子科技大学职业技术学院课题：FPGA实训专业：电子信息工程技术学号：姓名：

目录关键词： (1) 引言： (1) 设计要求： (1) EDA技术介绍: (1) Verilog HDL简介： (1) 方案实现： (2) 工作原理： (2) 总结： (3) 结语： (3) 程序设计： (4)

数字钟关键词：EDA、Verilog HDL、数字钟引言：硬件描述语言HDL（Hardware Des-cription Language）是一种用形式化方法来描述数字电路和系统的语言。目前，电子系统向集成化、大规模和高速等方向发展，以硬件描述语言和逻辑综合为基础的自顶向下的电路设计发放在业界得到迅猛发展，HDL在硬件设计领域的地位将与C和C++在软件设计领域的地位一样，在大规模数字系统的设计中它将逐步取代传统的逻辑状态表和逻辑电路图等硬件描述方法，而成为主要的硬件描述工具。 Verilog HDL是工业和学术界的硬件设计者所使用的两种主要的HDL之一，另外一种是VHDL。现在它们都已经成为IEEE标准。两者各有特点，但Verilog HDL拥有更悠久的历史、更广泛的设计群体，资源也远比VHDL丰富，且非常容易学习掌握。此次以Verilog HDL语言为手段，设计了多功能数字钟，其代码具有良好的可读性和易理解性。设计要求：数字钟模块、动态显示模块、调时模块、到点报时模块等；必须有键防抖动功能。可自行设计8位共阴数码管显示；亦可用FPGA实验平台EDK-3SAISE上的4位数管，但必须有秒指导灯。 EDA技术介绍： 20世纪90年代，国际上电子和计算机技术较先进的国家，一直在积极探索新的电子电路设计方法，并在设计方法、工具等方面进行了彻底的变革，取得了巨大成功。在电子技术设计领域，可编程逻辑器件（如CPLD、FPGA）的应用，已得到广泛的普及，这些器件为数字系统的设计带来了极大的灵活性。这些器件可以通过软件编程而对其硬件结构和工作方式进行重构，从而使得硬件的设计可以如同软件设计那样方便快捷。这一切极大地改变了传统的数字系统设计方法、设计过程和设计观念，促进了EDA技术的迅速发展。 EDA是电子设计自动化（Electronic Design Automation）的缩写，在20世纪90年代初从计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助测试（CAT）和计算机辅助工程（CAE）的概念发展而来的。EDA技术就是以计算机为工具，设计者在EDA软件平台上，用硬件描述语言HDL完成设计文件，然后由计算机自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局、布线和仿真，直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作。EDA技术的出现，极大地提高了电路设计的效率和可操作性，减轻了设计者的劳动强度。这些器件可以通过软件编程而对其硬件结构和工作方式进行重构，从而使得硬件的设计可以如同软件设计那样方便快捷。这一切极大地改变了传统的数字系统设计方法、设计过程和设计观念，促进了EDA技术的迅速发展。 Verilog HDL简介：硬件描述语言Verilog是Philip R.Moorby于1983年在英格兰阿克顿市的Gateway Design Automation硬件描述语言公司设计出来的，用于从开关级到算法级的多个抽象设

基于FPGA的Verilog HDL数字钟设计 -

基于FPGA的Verilog HDL数字钟设计专业班级姓名学号一、实验目的 1.掌握可编程逻辑器件的应用开发技术——设计输入、编译、仿真和器件编程； 2.熟悉一种EDA软件使用； 3.掌握Verilog设计方法； 4.掌握分模块分层次的设计方法； 5.用Verilog完成一个多功能数字钟设计; 6.学会FPGA的仿真。二、实验要求 ?功能要求：利用实验板设计实现一个能显示时分秒的多功能电子钟，基本功能： 1)准确计时，以数字形式显示时、分、秒，可通过按键选择当前显示时间范围模式； 2)计时时间范围00:00:00－23:59:59 3)可实现校正时间功能； 4)可通过实现时钟复位功能：00:00:00 扩展功能： 5)定时报：时间自定(不要求改变)，闹1分钟(1kHz)---利用板上LED或外接电路实现。 6)仿广播电台正点报时：XX:59:[51,53,55,57(500Hz);59(1kHz)] ---用板上LED或外接 7)报整点时数：XX:00:[00.5-XX.5](1kHz)，自动、手动---用板上LED或外接 8)手动输入校时； 9)手动输入定时闹钟； 10)万年历； 11)其他扩展功能； ?设计步骤与要求： 1)计算并说明采用Basys2实验板时钟50MHz实现系统功能的基本原理。 2)在Xilinx ISE13.1 软件中，利用层次化方法，设计实现模一百计数及显示的电路系统，设计模块间的连接调用关系，编写并输入所设计的源程序文件。 3)对源程序进行编译及仿真分析（注意合理设置，以便能够在验证逻辑的基础上尽快得出仿真结果）。 4)输入管脚约束文件，对设计项目进行编译与逻辑综合，生成下载所需.bit文件。 5)在Basys2实验板上下载所生成的.bit文件，观察验证所设计的电路功能。

全国大学生电子设计大赛F题一等奖数字频率计

2015 年全国大学生电子设计竞赛全国一等奖作品
设计报告部分错误未修正，软件部分未添加
竞赛选题：数字频率计（F 题）
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摘要
本设计选用 FPGA 作为数据处理与系统控制的核心，制作了一款超高精度的数字频率计，其优点在于采用了自动增益控制电路（AGC）和等精度测量法，全部电路使用 PCB 制版，进一步减小误差。
AGC 电路可将不同频率、不同幅度的待测信号，放大至基本相同的幅度，且高于后级滞回比较器的窗口电压，有效解决了待测信号输入电压变化大、频率范围广的问题。频率等参数的测量采用闸门时间为 1s 的等精度测量法。闸门时间与待测信号同步，避免了对被测信号计数所产生±1 个字的误差，有效提高了系统精度。
经过实测，本设计达到了赛题基本部分和发挥部分的全部指标，并在部分指标上远超赛题发挥部分要求。
关键词：FPGA 自动增益控制等精度测量法
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目录
摘要....................................................................................................................1 目录........................................................................................................................ 2 1. 系统方案...................................................................................................3
1.1. 方案比较与选择................................................................................3 1.1.1. 宽带通道放大器.........................................................................3 1.1.2. 正弦波整形电路.........................................................................3 1.1.3. 主控电路.....................................................................................3 1.1.4. 参数测量方案.............................................................................4
1.2. 方案描述............................................................................................4 2. 电路设计...................................................................................................4
2.1. 宽带通道放大器分析........................................................................4 2.2. 正弦波整形电路................................................................................5 3. 软件设计...................................................................................................6 4. 测试方案与测试结果...............................................................................6 4.1. 测试仪器............................................................................................6 4.2. 测试方案及数据................................................................................7
4.2.1. 频率测试.....................................................................................7 4.2.2. 时间间隔测量.............................................................................7 4.2.3. 占空比测量.................................................................................8 4.3. 测试结论............................................................................................9 参考文献................................................................................................................ 9
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Verilog HDL数字时钟课程设计

课程设计报告课程设计名称：EDA课程设计课程名称：数字时钟二级学院：信息工程学院专业：通信工程班级：12通信1班学号：1200304126 姓名：@#$% 成绩：指导老师：方振汉年月日

目录第一部分 EDA技术的仿真 (3) 1奇偶校验器 (3) 1.1奇偶校验器的基本要求 (3) 1.2奇偶校验器的原理 (3) 1.3奇偶校验器的源代码及其仿真波形 (3) 28选1数据选择器 (4) 2.18选1数据选择器的基本要求 (4) 2.28选1数据选择器的原理 (4) 2.38选1数据选择器的源代码及其仿真波形 (5) 34位数值比较器 (6) 3.14位数值比较器的基本要求 (6) 3.24位数值比较器的原理 (6) 3.34位数值比较器的源代码及其仿真波形 (7) 第二部分 EDA技术的综合设计与仿真（数字时钟） (8) 1概述 (8) 2数字时钟的基本要求 (9) 3数字时钟的设计思路 (9) 3.1数字时钟的理论原理 (9) 3.2数字时钟的原理框图 (10) 4模块各功能的设计 (10) 4.1分频模块 (10) 4.2计数模块（分秒/小时） (11) 4.3数码管及显示模块 (13) 5系统仿真设计及波形图........................... 错误！未定义书签。5 5.1芯片引脚图.................................... 错误！未定义书签。5 5.2数字时钟仿真及验证结果 (16) 5.3数字时钟完整主程序 (17) 6课程设计小结 (23) 7心得与体会 (23) 参考文献 (24)

基于FPGA的数字钟设计

南昌大学实验报告学生姓名：邓儒超学号：6100210045 专业班级：卓越通信101 实验类型：□验证□综合□√设计□创新实验日期：2012.10.28 实验成绩：实验三数字钟设计一、实验目的（1）掌握数字钟的设计二、实验内容与要求（1）设计一个数字钟，要求具有调时功能和24/12进制转换功能（2）进行波形仿真，并分析仿真波形图；（3）下载测试是否正确；三、设计思路/原理图本次数字钟的设计采用了自顶向下分模块的设计。底层是实现各功能的模块，各模块由vhdl语言编程实现：顶层采用原理图形式调用。其中底层模块包括秒、分、时三个计数器模块、按键去抖动模块、按键控制模块、时钟分频模块、数码管显示模块，其中，时计数器模块又包括24进制计数模块、12进制计数模块、24/12进制转换模块。设计框图如下：由图可以清晰的看到数字钟系统设计中各功能模块间连接关系。系统时钟1KHZ经过分频后产生1秒的时钟信号，1秒的时钟信号作为秒计数模块的输入信号，秒计数模块产生的进位信号作为分计数模块的输入信号，分计数模块的进位信号作为时计数模块的输入信号。秒计数模块、分计数模块、时计数模块的计数输出分别送到显示模块。由于设计中要使用按键进行调节时间，而按键的动作过程中存在产生得脉冲的不稳定问题，所以就牵扯到按键去抖动的问题，对此系统中设置了按键去抖动模块，按键去抖动模块产生稳定的脉冲信号送入按键控制模块，按键控制模块根据按键的动作对秒、分、时进行调节。原理图如下：

四、实验程序（程序来源：参考实验室里的和百度文库的稍加改动，还有自己写的） 1、分频模块 LIBRARY IEEE; USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL; ENTITY fenpin IS PORT(CLK:IN STD_LOGIC; CLK1:OUT STD_LOGIC); END fenpin; ARCHITECTURE behav OF fenpin IS SIGNAL X,CNT:STD_LOGIC_VECTOR(11 DOWNTO 0); BEGIN P1:PROCESS(CLK) BEGIN X<="001111101000";--1000分频 IF CLK'EVENT AND CLK = '1' THEN CNT<=CNT+1; IF CNT=X-1 THEN CLK1<='1';CNT<="000000000000"; ELSE CLK1<='0'; END IF; END IF; END PROCESS; END behav; 2、60进制计数器（秒、分计数器）模块 LIBRARY IEEE; USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL; ENTITY count60 IS PORT(EN,RST,CLK1: IN STD_LOGIC; Q: OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0); COUT: OUT STD_LOGIC); END count60;

等精度数字频率计的设计

等精度数字频率计的设计李艳秋摘要基于传统测频原理的频率计的测量精度将随着被测信号频率的下降而降低，在实用中有很大的局限性，而等精度频率计不但有较高的测量精度，而且在整个测频区域内保持恒定的测试精度。运用等精度测量原理，结合单片机技术设计了一种数字频率计，由于采用了屏蔽驱动电路及数字均值滤波等技术措施，因而能在较宽定的频率范围和幅度范围内对频率，周期，脉宽，占空比等参数进行测量，并可通过调整闸门时间预置测量精度。选取的这种综合测量法作为数字频率计的测量算法，提出了基于FPGA 的数字频率计的设计方案。给出了该设计方案的实际测量效果，证明该设计方案切实可行，能达到较高的频率测量精度。关键词等精度测量，单片机，频率计，闸门时间，FPGA Ⅱ

ABSTRACT Along with is measured based on the traditional frequency measurement principle frequency meter measuring accuracy the signalling frequency the drop but to reduce, in is practical has the very big limitation, but and so on the precision frequency meter not only has teaches the high measuring accuracy, moreover maintains the constant test precision in the entire frequency measurement region. Using and so on the precision survey principle, unified the monolithic integrated circuit technical design one kind of numeral frequency meter, because has used the shield actuation electric circuit and technical measure and so on digital average value filter, thus could in compared in the frequency range and the scope scope which the width decided to the frequency, the cycle, the pulse width, occupied parameter and so on spatial ratio carries on the survey, and might through the adjustment strobe time initialization measuring accuracy. Selection this kind of synthesis measured the mensuration took the digital frequency meter the survey algorithm, proposed based on the FPGA digital frequency meter design proposal. Has produced this design proposal actual survey effect, proved this design proposal is practical and feasible, can achieve the high frequency measurement precision Keywords Precision survey, microcontroller, frequency meter, strobe time，field programmable gate array Ⅱ

FPGA课程设计多功能数字钟讲解

多功能数字钟开课学期：2014—2015 学年第二学期课程名称：FPGA课程设计学院：信息科学与工程学院专业：集成电路设计与集成系统班级：学号：姓名：任课教师： 2015 年7 月21 日

说明一、论文书写要求与说明 1.严格按照模板进行书写。自己可以自行修改标题的题目 2.关于字体： a)题目：三号黑体加粗。 b)正文：小四号宋体，行距为1.25倍。 3.严禁抄袭和雷同，一经发现，成绩即判定为不及格！！！二、设计提交说明 1.设计需要提交“电子稿”和“打印稿”； 2.“打印稿”包括封面、说明（即本页内容）、设计内容三部分；订书机左边装订。 3.“电子稿”上交：文件名为“FPGA课程设计报告-班级-学号-姓名.doc”,所有报告发送给班长，由班长统一打包后统一发送到付小倩老师。 4.“打印稿”由班长收齐后交到：12教305办公室； 5.上交截止日期：2015年7月31日17:00之前。

第一章绪论 (3) 关键词：FPGA，数字钟 (3) 第二章FPGA的相关介绍 (4) 2.1 FPGA概述 (4) 2.2 FPGA特点 (4) 2.3 FPGA设计注意 (5) 第三章Quartus II与Verilog HDL相关介绍 (7) 3.1 Quartus II (7) 3.2 Verilog HDL (7) 第四章设计方案 (8) 4.1数字钟的工作原理 (8) 4.2 按键消抖 (8) 4.3时钟复位 (8) 4.4时钟校时 (8) 4.5数码管显示模块。 (8) 第五章方案实现与验证 (9) 5.1产生秒脉冲 (9) 5.2秒个位进位 (9) 5.3按键消抖 (9) 5.4复位按键设置 (10) 5.5 数码管显示。 (10) 5.6 RTL结构总图 (11) 第六章实验总结 (14) 第七章Verilog HDL源代码附录 (15)

基于FPGA的多功能数字钟的设计

基于FPGA的多功能数字钟的设计摘要数字钟是采用数字电路实现对时、分、秒数字显示的计时装置,是人们日常生活中不可少的必需品。本文介绍了应用FPGA芯片设计多功能数字钟的一种方案，并讨讨论了有关使用FPGA芯片和VHDL语言实现数字钟设计的技术问题。关键词数字钟、分频器、译码器、计数器、校时电路、报时电路。 Design of Abstract Keywords

目录 0.引言 (4) 1.设计要求说明 (4) 1.1设计要求 (4) 1.2完成情况说明 (4) 2.多功能数字钟的基本原理及其在FPGA中的设计与实现 (4) 2.1计时电路 (5) 2.2异步清零电路 (5) 2.3校时、校分功能电路 (5) 2.4报时电路 (6) 2.5分频电路 (7) 2.6闹钟及音乐闹铃电路 (9) 2.7秒表计时电路 (15) 2.8译码显示电路 (15) 2.9逻辑总图 (16) 3.设计感想 (17) 参考文献 (17)

0．引言数字集成电路的发展和石英晶体振荡器的广泛应用,使得数字钟的精度远远超过老式钟表。钟表的数字化给人们生产生活带来了极大的方便而且大大地扩展了钟表原先的报时功能。因此，研究数字钟及扩大其应用，有着非常现实的意义。 1.设计要求说明 1.1设计要求 1）设计一个具有校时、校分、清零，保持和整点报时功能的数字钟。 2）多数字钟采用层次化的方法进行设计，要求设计层次清晰、合理；构成整个设计的功能模块既可采用原理图方法实现，也可采用文本输入法实现。 3）数字钟的具体设计要求具有如下功能： ①数字钟的最大计时显示23小时59分59秒； ②在数字钟正常工作时可以进行快速校时和校分，即拨动开关K1可对小时进行校正，拨动开关K2可对分钟进行校正； ③在数字钟正常工作情况下，可以对其进行不断电复位，即拨动开关K3 可以使时、分、秒回零； ④整点报时是要求数字钟在每小时整点来到前进行鸣叫，鸣叫频率是在 59分53秒、55秒、57秒时为500Hz，59分59秒时为1KHz； ⑤哟啊去所有开关具有去抖动功能。 4）对设计电路进行功能仿真。 5）将仿真通过的逻辑电路下载到EDA实验系统，对其进行验证。 1.2完成情况说明：对于实验要求的基本功能我们设计的电路都能准确实现。另外，我们还附加了显示星期、秒表、闹钟时间来时播放音乐等功能。 2.多功能数字钟的基本原理及其在FPGA中的设计与实现通过分析多功能数字钟的设计要求和所要实现的功能，应用层次化方法设计出数字钟应由计时模块、分频脉冲模块、译码显示模块、校时校分和清零模块、报时模块等几个模块组成，其原理框图如下图1所示：

等精度数字频率计

江西理工大学应用科学学院 SOPC/EDA综合课程设计报告完成时间2012年01月03日

目录第一章设计项目的分析: 1.1 设计原理 1.2 设计要求 1.3 设计思路第二章项目工作原理及模块工作原理 2.1 项目工作原理 2.2 频率测量模块的工作原理 2.3 周期测量模块的工作原理 2.3.1 直接周期测量法 2.3.2 等精度周期测量法 2.4 脉宽测量模块的工作原理 2.5 占空比测量模块的工作原理第三章系统设计方案 3.1 等精度数字频率计项目设计方案 3.1.1等精度数字频率计的原理图 3.1.2系统的主要组成部分 3.1.3系统的基本工作方式 3.1.4 CPLD/FPGA测频专用模块的VHDL程序设计 3.2 测频/测周期的实现 3.3 控制部件设计 3.4 计数部件设计 3.5 测量脉冲宽度的工作步骤第四章主要VHDL源程序 4.1 频率计测试模块 4.2 计数模块 4.3 测频、周期控制模块 4.4 测脉宽、占空比控制模块 4.5 自校/测试频率选择模块 4.6 计数器二频率切换模块第五章项目硬件测试及仿真结果 5.1 硬件试验情况 5.2 仿真结果第六章设计总结附录一参考文献

第一章设计项目的分析 1.1 设计原理频率计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，此时我们称闸门时间为1s。闸门时间也可以大于或小于1s。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，测得频率值刷新就越快，但测得的频率精度就受影响。 1.2 设计要求 (1) 对于频率测试功能，测频范围为0.1 Hz～70 MHz；对于测频精度，测频全域相对误差恒为百万分之一。 (2) 对于周期测试功能，信号测试范围与精度要求与测频功能相同。 (3) 对于脉宽测试功能，测试范围为0.1 μs～1 s，测试精度为0.01 μs。 (4) 对于占空比测试功能，测试精度为1%～99%。 1.3 设计思路利用计数器A对时钟脉冲信号进行计数，同时使用另一个计数器B对被测信号计数。当测量时钟脉冲信号的计数器A累积到一定数值时，将计数器B的结果传送到触发器中并通过一个时钟脉冲锁存，并译码送到七段数码管输出。为了使测量误差尽可能小，可以在被测信号的上升沿使计数器A和计数器B同时计数，为此，可添加一个D触发器，以被测信号作为D触发器的时钟信号，高电平为输入端，输出端Q作为两个计数器的计数允许信号。其原理可用图1表示。基于传统测频原理的频率计的测量精度将随被测信号的频率的下降而降低，在使用中有较大的局限性，而等精度频率计不但具有较高的测量精度，而且在整个频率区域能保持恒定的测试精度。