现场可编程门阵列（FPGA）是在 EPLD、PAL、GAL 等可编程器件的基础上进一步发展而来的。作为集成电路领域中的半定制电路，FPGA 不仅解决了定制电路的不足，还克服了原有可编程器件因门电路数量有限而产生的缺点。FPGA 的使用极为灵活，同一片 FPGA 只需加载不同的程序，就能实现不同的电路功能。目前，FPGA 在通信、仪器、网络、数据处理、工业控制、军事和航空航天等众多领域都有广泛的应用。随着成本和功耗的进一步降低，FPGA 的应用领域还将不断拓展。
本文聚焦于基于 FPGA 的电机测速系统设计，以 Quartus II 为设计平台，采用硬件描述语言 VHDL 和模块化设计方式，并通过数码管驱动电路动态显示测量结果。该设计具有外围电路少、集成度高、可靠性强等特点，可用于测量电机的转速值。

外围电路设计

传感器将电机转速的模拟信号转换为数字脉冲信号，然后送入 FPGA 模块。同时，基准时钟电路产生准确的时钟信号，复位电路产生复位信号，这两个信号也被送入 FPGA 模块。FPGA 模块会产生分频电路、十进制计数器电路、数据处理电路和显示译码电路。分频电路会对送入的基准时钟信号进行分频，得到一个闸门信号，作为十进制计数器的使能信号。数据处理电路会对十进制计数器得到的数据进行相应处理，然后将处理后的数据送入显示译码电路进行转换译码。电机测速系统的总体框图如图 1 所示。外围电路可分为基准时基电路、复位电路、传感器测量电路和显示电路。

基准时基电路设计

基准时基电路采用 50 MHz 的有源晶振，3.3 V 电源通过 FB5 接入有源晶振的 VCC 端口，同时通过 C10 和 C11 滤去高频干扰信号，从 OUT 端口输出 50 MHz 的时钟信号。晶振电路如图 2 所示。

复位按键的设计

按键是嵌入式智能控制系统中人机交互的常用接口，用户通常通过按键向系统输入各种信息、调整参数或发出控制指令。因此，按键处理是一个重要的功能模块，它关系到整个系统的交互性能和稳定性。在本次设计中，通过按键实现了 FPGA 模块的手动复位。复位按键如图 3 所示。

显示电路的设计

本次设计中使用的显示电路如图 4 所示。从数码管显示电路可知，这是共阳极数码管。当在位选端 SE1 - SE4 输入低电平时，三极管导通，从而使 D1 - D4 接入高电平。从 a 到 DP 端输入数码管显示码，就可以得到所需的数字，通过位选端让数码管选择导通。