基于FPGA的数字频率计的设计与实现
基于FPGA的数字频率计的设计与实现 数字频率计是计算机、通信设备、音频视频等科研生产 领域不可缺少的测量仪器，以EDA工具作为开发手段。基于 FPGA所设计的数字频率计，具有高速、精确、可靠、抗干扰 性强和现场可编程等优点。在设计中，所有频段均采用直接 测频法对信号频率进行测量，克服了逼近式换档速度慢的缺 点；在换档设计方面，突破了以往改变闸门时间的方法，采 用门控信号和被测信号对计数器的使能端进行双重控制，使 自动换档的实现更加简单可靠，提高了测量的精确度；
在运 算单元采用高速串行BCD码除法，不仅提高了运算速度，而 且减小了资源消耗。
1 设计要求 设计一种基于FPGA的数字频率计，要求：数字频率计分 为0～9.999 Hz、10.00～99.99 Hz、100.0～999.9 kHz 和1000～9999 kHz四档，且能够实现自动换档的功能。
2 总体设计方案 数字频率计总体框图如图1所示。数字频率计由分频器、 计数器、锁存器和译码器等模块构成，系统有3个输入信号， 即两个时钟信号CLK、SIG和一个清除信号CLR。系统有5个输 出信号，即报警信号ALM、显示信号Q、数码管片选信号L、 位控位A和位控位B。
分频器模块通过对时钟信号CLK进行分频，为计数器模块提供1 s的闸门时间test-en。当test-en为高电平时，闸 门被打开，被测信号的脉冲通过闸门进入计数器进行计数；
当test-en下降沿到来时，产生一个锁存信号，将计数值保 存起来，由八段译码器译码并在数码管显示计数结果。锁存 数据后，在下次test-en上升沿到来之前产生清零信号，将 计数器清零，为下次计数做准备。
3 设计实现 采用模块化的设计思想，依据系统设计要求自上至下地 细化设计。顶层设计完成后，采用硬件描述语言对各模块进 行编程，在MAX+PLUSⅡ环境下进行编译、功能仿真，创建各 模块的器件符号，待建立整体系统顶层文件时调用。
分频器模块 分频器模块（FEN）通过对4 MHz时钟信号 进行分频得到0.5 Hz时钟，为计数器模块（CORNA）提供1 s 的闸门时间。根据给定的分频值，分频器模块对4 MHz频率 进行1/2n的分频，每来一个时钟，中间值cnt状态改变一次；
经过n个cnt触发处理后，就可以得到1/2n的分频信号。
数码管片选信号产生模块 数码管片选信号产生模块 （SEL）把时钟信号转换成片选信号提供给输出模块。片选 信号低电平时，表示其对应的数码管可以进行显示操作，数 据信号输出数码管显示所需的数据，即“000”“001”“010” “011”“100”“101”“110”和“111”。
计数器模块 计数器模块（CORNA）通过对待测信号在基 准时间内进行计数测量待测信号的频率，完成对输入时钟信号的计数。由分频器提供的使能信号DOOR为高电平时，允许 计数；
DOOR为低电平时，停止计数，并保持所计的数。当中 间值c6不为零时，选择4档；
当中间值c5不为零时，选择3档；
当中间值c4不为零时，选择2档；
否则选择1档，计数选档结 束后，将5个输出信号传给锁存器。
锁存器模块 锁存器模块（LOCK）在分频器模块输出信 号DOOR的下降沿到来时，将计数器的数值Q3、Q2、Q1、Q0、 DANG锁存。
数据输出模块 数据输出模块（CH）对应于数码管片选 信号，将相应的数据送出，其中档位也通过数码管显示。数 据输出模块根据锁存器和数码管片选信号的输出信号，实现 数码管的实时显示。
八段译码驱动模块 八段译码驱动模块（DISP）将输入 的BCD码转换为LED数码管需要的数据，八段译码驱动模块的 仿真波形如图2所示。
D是八段译码驱动模块的输入信号，由数据输出模块输 出信号d赋予；
Q是八段译码驱动模块的输出信号，对应于数 码管的8个显示段。当d为“0000”时，q为3F；
当d为 “0001”时，q为06；
当d为“0010”时，q为5B；
当d为 “0011”时，q为4F；
当d为“0100”时，q为66；
当d为 “0101”时，q为6D；
当d为“0110”时，q为7D；
当d为 “0111”时，q为27；
当d为“1000”时，q为7F；
当d为 “1001”时，q为6F。各模块连接 各模块总体连接图如图3所示。CLK输入至 分频器，SIG、CLR输入至计数器，输出报警信号ALM来自计 数器，Q是八段译码器连接显示器的输出，L是数码管片选信 号产生模块的输出，输出A和B是位控位[1]。
系统仿真波形如图4所示。当输入信号SIG、CLR、CLK的 值为“000”“010”“100”和“110”时，仿真波形相同。
输出信号Q在0.0～875.0 ns时为3F（即“0111111”），之 后为0（即“0000000”）。输出信号L在0.0～125.0 ns时为 “000”，之后每隔250.0 ns依次为“001”“010”“011” “100”……输出信号A和B为高电平。
4 结语 EDA技术给电子系统设计带来巨大的变革，特别是硬件 描述语言的出现和发展，并与大规模可编程器件相结合，极 大地提高了电子系统设计的效率和可用性，成为电子系统设 计人员的得力助手。
参考文献 [1]侯伯亨，刘凯，顾新.VHDL硬件描述语言与数字逻辑 电路设计[M].西安：西安电子科技大学出社，2009.中国教育技术装备