简易数字频率计
简易数字频率计
原理：数字频率计的原理十分简单，简单的就是一句话和一幅图而已。
一句话：测量被测信号的频率，要清楚频率的定义，一言以蔽之，就是1s中信号的周期数，这不就是周期的倒数吗？
根据频率的定义，我们测量被测信号1s中变化的次数即可，即1s中的周期数。
首先我们设置一个基准时钟信号，频率为1Hz，从第一个上升沿开始计数（被测信号的上升沿数），直到下一个上升沿到达时停止计数，对数据进行锁存，再到达下一个上升沿时，对计数器进行清零，准备下一次的测量。
一幅图：
基准信号的第一个上升沿到达时，计数使能信号有效，计数器开始计数；
第二上升沿到达时，计数结束，锁存使能有效，计数数据开始锁存；
第三个上升沿到达时，清零信号有效，对计数器的输出清零，准备下一次的测量。
一个测量过程需要3 sec（重要）。
下面是数字频率计的原理图：
//简易频率计设计
module freDetect(clk_1Hz, fin, rst, d0, d1, d2, d3, d4, d5, d6, d7);
input clk_1Hz;//1Hz基准频率
input fin; //待测信号
input rst; //复位信号
output[3:0] d0, d1, d2, d3, d4, d5, d6, d7; //8位显示测量数据
wire[3:0] q0, q1, q2, q3, q4, q5, q6, q7; //中间数据
wire[3:0] d0, d1, d2, d3, d4, d5, d6, d7;
//控制模块实例
control u_control(.clk_1Hz(clk_1Hz), .rst(rst), .count_en(count_en),
.latch_en(latch_en), .clear(clear));
//计数器模块实例
counter_10 counter0(.en_in(count_en), .clear(clear), .rst(rst),
.fin(fin), .en_out(en_out0), .q(q0));
counter_10 counter1(.en_in(en_out0), .clear(clear), .rst(rst),
.fin(fin), .en_out(en_out1), .q(q1));
counter_10 counter2(.en_in(en_out1), .clear(clear), .rst(rst),
.fin(fin), .en_out(en_out2), .q(q2));
counter_10 counter3(.en_in(en_out2), .clear(clear), .rst(rst),
.fin(fin), .en_out(en_out3), .q(q3));
counter_10 counter4(.en_in(en_out3), .clear(clear), .rst(rst),
.fin(fin), .en_out(en_out4), .q(q4));
counter_10 counter5(.en_in(en_out4), .clear(clear), .rst(rst),
.fin(fin), .en_out(en_out5), .q(q5));
counter_10 counter6(.en_in(en_out5), .clear(clear), .rst(rst),
.fin(fin), .en_out(en_out6), .q(q6));
counter_10 counter7(.en_in(en_out6), .clear(clear), .rst(rst),
.fin(fin), .en_out(en_out7), .q(q7));
//锁存器模块实例
latch u_latch(.clk_1Hz(clk_1Hz), .rst(rst), .latch_en(latch_en),
.q0(q0), .q1(q1), .q2(q2), .q3(q3), .q4(q4), .q5(q5),
.q6(q6), .q7(q7), .d0(d0), .d1(d1), .d2(d2), .d3(d3),
.d4(d4), .d5(d5), .d6(d6), .d7(d7));
endmodule
//控制模块
//控制模块产生计数使能信号、锁存使能信号和计数器清零信号
module control(clk_1Hz, rst, count_en, latch_en, clear);
input clk_1Hz;
input rst;
output count_en;
output latch_en;
output clear;
reg[1:0] state; //状态信号，用于控制各种使能信号
reg count_en;
reg latch_en;
reg clear;
always @(posedge clk_1Hz or negedge rst)
if(!rst) //复位信号有效
begin //各种使能信号清零
state <= 2'd0;
count_en <= 1'b0;
latch_en <=1'b0;
clear <= 1'b0;
end
else //遇到基准信号的下一个上升沿，状态变化一次，每次变化后状态持续1s
begin
case(state)
2'd0:
begin //第一个上升沿到达，开始计数，计数1个基准信号周期内待测信号的上升沿个数，此个数即为待测信号的频率
count_en <= 1'b1; //计数使能信号有效
latch_en <=1'b0;
clear <= 1'b0;
state <= 2'd1;
end
2'd1:
begin //第二个上升沿到达，计数完成，锁存使能信号有效，测得频率锁存至锁存器中
count_en <= 1'b0;
latch_en <=1'b1;
clear <= 1'b0;
state <= 2'd2;
end
2'd2:
begin //第三个上升沿到达，清零使能信号有效，计数器清零，为下一次计数做准备
count_en <= 1'b0;
latch_en <=1'b0;
clear <= 1'b1;
state <= 2'd0; //状态清零，进入下一次测量
end
default:
begin
count_en <= 1'b0;
latch_en <=1'b0;
clear <= 1'b0;
state <= 2'd0;
end
endcase
end
endmodule
//计数模块
//模10计数器，当计数使能时计数开始，当计数器到达4'b1001，即9时，输出下一模式计数器的使能信号并将计数器清零
module counter_10(en_in, rst, clear, fin, en_out, q);
input en_in; //输入使能信号
input rst; //复位信号
input clear; //清零信号
input fin; //待测信号
output en_out; //输出使能，用于控制下一个计数器的状态，当输出使能有效时，下一个模10计数器计数加1
output[3:0] q; //计数器的输出，4位BCD码输出
reg en_out;
reg[3:0] q;
always@ (posedge fin or negedge rst) //输入待测信号的上升沿作为敏感信号
if(!rst) //复位信号有效，计数器输出清零
begin
en_out <= 1'b0;
q <= 4'b0;
end
else if(en_in) //进位输入使能信号有效
begin
if(q == 4'b1001) //若q = 4'b1001的话，q清零，同时进位输出使能有效，即en_out 赋值为1'b1
begin
q <= 4'b0;
en_out <= 1'b1;
end
else //若q未达到4'b1001时，每到达待测信号的一个上升沿，q加1，同时输出进位清零
begin
q <= q + 1'b1;
en_out <=1'b0;
end
end
else if(clear) //若清零信号有效，计数器清零，主要用于为下一次测量准备
begin
q <= 4'b0;
en_out <= 1'b0;
end
else
begin
q <= q;
en_out <=1'b0;
end
endmodule
//锁存器模块
//当锁存使能时，锁存器将8个模10计数器的输出值锁存并输出
module latch(clk_1Hz, latch_en, rst, q0, q1, q2, q3, q4, q5, q6, q7,
d0, d1, d2, d3, d4, d5, d6, d7);
input clk_1Hz, latch_en, rst;
input[3:0] q0, q1, q2, q3, q4, q5, q6, q7;
output[3:0] d0, d1, d2, d3, d4, d5, d6, d7;
reg[3:0] d0, d1, d2, d3, d4, d5, d6, d7;
always@ (posedge clk_1Hz or negedge rst)
if(!rst) //复位信号有效时输出清零
begin
d0 <= 4'b0; d1 <= 4'b0; d2 <= 4'b0; d3 <= 4'b0; d4 <= 4'b0;
d5 <= 4'b0; d6 <= 4'b0; d7 <= 4'b0;
end
else if(latch_en) //锁存信号有效时，将计数器的输出信号锁存至锁存器
begin
d0 <= q0; d1 <= q1; d2 <= q2; d3 <= q3; d4 <= q4;
d5 <= q5; d6 <= q6; d7 <= q7;
end
else //上面两种情况均未发生时，输入不变
begin
d0 <= d0; d1 <= d1; d2 <= d2; d3 <= d3; d4 <= d4;
d5 <= d5; d6 <= d6; d7 <= d7;
end
endmodule
测试文件为：
`timescale 1ns/1ps
//测试模块
module freDetect_tb;
parameter CLK_1HZ_DELAY = 5_0000_0000; //1Hz基准信号
parameter FIN_DELAY = 100; //5MHz待测信号
reg clk_1Hz;
reg fin;
reg rst;
wire[3:0] d0, d1, d2, d3, d4, d5, d6, d7;
initial
begin
rst =1'b0;
#1 rst = 1'b1;
end
initial
begin
fin = 1'b0;
forever
#FIN_DELAY fin = ~fin;
end
initial
begin
clk_1Hz = 1'b0;
forever
#CLK_1HZ_DELAY clk_1Hz = ~clk_1Hz;
end
freDetect freDetect1(.clk_1Hz(clk_1Hz), .rst(rst), .fin(fin),
.d0(d0), .d1(d1), .d2(d2), .d3(d3), .d4(d4), .d5(d5), .d6(d6), .d7(d7));
endmodule
在Modelsim中仿真得到的波形图为：
看不清，再截一张：
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