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数字频率计设计与实现
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摘要:EDA 是电子设计技术的发展趋势,利用EDA 工具可以代替设计者完成电子系统设计中的大部分工作。本文在EDA 技术迅速发展的情况下,运用FPGA 器件设计的一款简单的数字频率计。首先对EDA 技术进行了简单的介绍,然后对VHDL 语言和FPGA 器件扥别进行了简单的叙述,接着对目前频率计设计中所应用的测频方法进行了分析。本文中将频率计分成了五个模块进行设计,并分别对其进行了描述。

关键词:EDA 技术;FPGA;频率计

0 引言

频率是电子技术领域永恒的话题,电子技术领域离不开频率,一旦离开频率电子技术的发展是不可想象的,就像现在的人离不开电一样。为了得到性能更好的电子系统,科研人员在不断地研究着频率,CPU 就是用频率的高低来评价其性能好坏,速度的高低,可见频率在电子系统中的重要性。
本次设计的频率计是采用直接测频技术,利用FPGA 器件进行的频率测量。

1 EDA 技术概述

EDA 技术的含义

EDA(Electronic Design Automation)即电子设计自动化,就是以微电子技术为物理层面,现代电子设计技术为基础,计算机软件技术为手段,最终形成集成电子系统或专用集成电路ASIC(application specific integrated circuit)为目的的一门新兴技术。可简单概括为以大规模可编程逻辑器件为设计载体,通过硬件描述语言作为输入方式,经过开发软件的编译和仿真最终下载到设计载体中,从而完成系统电路设计任务的一门新技术[1]。

EDA 技术的特点

利用 EDA 技术进行电子系统的设计,具有以下几个特点[2]:
1)用软件的方式设计硬件:使用硬件描述语言,设计者可以在抽象层次上描述设计结构及其内部特征,是EDA 技术的一个重要特征。硬件描述语言的突出优点是语言的公开可利用性、设计与工艺的无关性、宽范围的描述能力、便于组织大规模系统的设计、便于设计文档的管理、便于设计的复用和继承等。
2)软件方式设计的系统到硬件系统的转换是有关的开发软件自动完成的。
3)设计过程中可通过EDA 软件的综合库、版图库、测试库和模拟库等,系统开发者能够完成自动仿真和测试。
4)系统可现场编程,在线升级。
5)整个系统可集成在一个芯片上,体积小,功耗低,可靠性高;6)从以前的“组合设计”转向“自由设计”
7)设计的移植性好,效率高。
8)非常适合分工设计,团体协作。

EDA 技术的发展阶段

20 世纪70 年代的电子线路的计算机辅助的设计是EDA 发展的初级阶段。他利用计算机的图形编辑、分析和存储等能力,协助工程师进行电子系统的IC(integrated circuit)版图编辑和PCB(printed circuit board)布线布局,取代了手工操作。这类专用软件大多以微机为工作平台,易于学习和使用,设计中小规模电子系统可靠有效。现仍有很多这类专用软件被广泛应用于工程设计,由此产生了计算机辅助设计的概念。
20 世纪80 年代随着计算机和集成电路的发展,EDA进入了计算机辅助工程设计的阶段。推出的EDA 工具以逻辑模拟、定时分析、故障仿真、自动布局和布线为核心,重点解决电路设计没有完成之前的功能检验等问题。利用这些工具设计师能在产品制作之前预知产品的功能与性能,生成产品制造文件,使设计阶段对产品性能的分析前进了一大步。
进入20 世纪90 年代,随着硬件描述语言的标准化得到进一步的确立,计算机辅助工程、辅助分析和辅助设计在电子技术领域获得更加广泛的应用,与此同时电子技术在通信、计算机及家电产品生产中的市场需求和技术需求,极大地推动了全新的电子设计自动化技术的应用和发展。特别是集成电路设计工艺步入了超深亚微米阶段,百万门次以上的大规模可编程逻辑期间的陆续面世,以及基于计算机技术的面向用户的低成本大规模ASIC 设计技术的应用,促进了EDA 技术的形成。更为重要的是各EDA 公司致力于推出兼容各种硬件实现方案和支持准硬件描述语言的EDA 工具软件的研究,都有效地将EDA 技术推向成熟。

2 硬件描述语言

硬件描述语言(HDL)是相对于一般的计算机软件语言如C、Pascal 而言的。硬件描述语言是各种描述方法中最能体现EDA 优越性的描述方法所谓硬件描述语言,其实就是一个描述工具,其描述的对象就是待设计的电子系统的逻辑功能,实现该功能的算法,选用的电路结构以及其它各种约束条件等,通常要求HDL 既能描述系统的行为,又能描述系统的结构。硬件描述语言主要有VHDL 语言、Verilog HDL