FPGA学习系列：34. 频率计的设计

设计背景：

频率计又称为频率计数器，是一种专门对被测信号频率进行测量的电子测量仪器。频率计主要由四个部分构成:时基(T)电路、输入电路、计数显示电路以及控制电路。

频率，即使信号周期的倒数，也就是说，信号每单位时间完成周期的个数，一般去一秒为基本单位时间。

设计原理:

本次的设计主要是一个简单的二选一数据选择器，我们的设计主

频率=1s/T，T=高电平的时间+低电平的时间。时间=周期数*周期。占空比=（高电平的时间/周期）100%。我们的时间单位都是以ns来计算的，所以要把1s换成1_000_000_000ns,驱动时钟是50MHz的，周期为20ns。计算占空比的时候，我们把周期20ns全部省略了。所以计算公式如下：

freq = 1_000_000_000/(low_time * 20 + high_time * 20);

duty_cycle = (high_time * 100)/(high_time + low_time);

设计架构图:

设计代码:

设计模块

0modulefreq_meter (clk,rst_n,wave,freq,duty_cycle);//端口列表

1

2 inputclk;//时钟

3 inputrst_n;//复位

4 inputwave;//被测频率

5 output[25:0]freq;//输出频率

6 output[6:0]duty_cycle; //输出占空比

7

8 reg[25:0]low_cnt;

9 reg[25:0]high_cnt;

10 reg[25:0]low_time;

11 reg[25:0]high_time;

12 regstate;

13

14 localparamhigh_state =1'b0;

15 localparamlow_state =1'b1;

16

17 always@(posedgeclk ornegedgerst_n)

18 begin

19 if(!rst_n)

20 begin

21 low_cnt <=26'd0;

22 high_cnt <=26'd0;

23 low_time <=26'd0;

24 high_time <=26'd0;

25 state <=high_state;

26 end

27 else

28 begin

29 case(state)

30 high_state :begin

31 if(wave ==1'b1)//判断输入为高电平

32 begin

33 high_cnt <=high_cnt +1'b1;

34 state <=high_state;

35 end

36 else

37 begin

38 high_cnt <=26'd0;

39 high_time <=high_cnt;

40 state <=low_state;

41 end

42 end

43

44 low_state :begin

45 if(wave ==1'b0)//判断输入为低电平

46 begin

47 low_cnt <=low_cnt +1'b1;

48 state <=low_state;

49 end

50 else

51 begin

52 low_cnt <=26'd0;

53 low_time <=low_cnt;

54 state <=high_state;

55 end

56 end

57 default:state <=low_state;

58 endcase

59 end

60 end

61

62 assignfreq =1_000_000_000/(low_time *20+high_time *20);//求频率

63 assignduty_cycle =(high_time *100)/(high_time +low_time);//求占空比

64

65endmodule

测试模块

0`timescale1ns/1ps

1modulefreq_meter_tb;

2 regclk;

3 regrst_n;

4 regwave;

5 wire[25:0]freq;

6 wire[6:0]duty_cycle;

7

8 initialbegin

9 clk =1'b1;

10 rst_n =1'b0;

11

12 #200.1

13 rst_n =1'b1;

14 #1_000_000_0//仿真10ms

15 $stop;

16 end

17

18 always#10clk =~clk;

19

20 initialbegin

21 wave =1'b1;

22 foreverbegin//产生占空比为60%，频率为1KHz的方波

23 #600_000

24 wave =1'b0;

25 #400_000

26 wave =1'b1;

27 end

28 end

29

30 freq_meter freq_meter_dut(

31 .clk(clk),

32 .rst_n(rst_n),

33 .wave(wave),

34 .freq(freq),

35 .duty_cycle(duty_cycle)

36 );

37

38endmodule

仿真图:

由于在前面没有测完一个周期出现了不稳定的因素，就出现了不准确的数值，当测试完一个周期以后，测到的数值就比较的准确，基本的没有什么误差。

相对的，如果测试的频率越大，测到的数值就越准确。