Verilog HDL数字频率计

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第一章测量原理与方法 (2)

1.1测频方法 (2)

1.2测周方法 (3)

1.3等精度测量法 (3)

1.4放大整形电路 (4)

1.5时基信号产生 (5)

第二章任务要求 (6)

第三章各模块功能及介绍 (6)

3.1分频器 (6)

4.2闸门选择器 (8)

4.3频率计数器 (10)

4.4锁存器 (12)

4.5扫描显示控制译码系统 (13)

第四章顶层电路及总体仿真 (14)

4.1顶层电路 (14)

4.2总体仿真结果 (14)

4.3测试结果 (17)

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第一章 测量原理与方法

所谓“频率”，就是周期性信号在单位时间(秒)内变化的次数。若在一定的时间间隔T 内计数，计得某周期性信号的重复变化次数为N ，则该信号的频率可表达为：

f = N / T

所以测量频率就要分别知道N 和T 的值，由此，测量频率的方法一般有三种：测频方法、测周方法和等精度测量。

1.1 测频方法

这种方法即已知时基信号（频率或周期确定）做门控信号，T 为已知量，然后在门控信号有效的时间段内进行输入脉冲的计数，原理图如下图所示：

图 1-1 测频方法原理图

首先，被测信号①(以正弦波为例)经过放大整形后转变成方波脉冲②，其重复频率等于被测信号频率。把方波脉冲②加到闸门的输入端。由一个高稳定的石英振荡器和一系列数字分频器组成了时基信号发生器，它输出时间基准(或频率基准)信号③去控制门控电路形成门控信号④，门控信号的作用时间T 是非常准确的(由石英振荡器决定)。门控信号控制闸门的开与闭，只有在闸门开通的时间内，方波脉冲②才能通过闸门成为被计数的脉冲⑤由计数器计数。闸门开

被

测

信计数器

① ②

通的时间称为闸门时间，其长度等于门控信号作用时间T。比如，时间基准信号的重复周期为1S，加到闸门的门控信号作用时间T亦准确地等于1S，即闸门的开通时间——“闸门时间”为1S。在这一段时间内，若计数器计得N=100000个数，根据公式f = N / T，那么被测频率就是100000Hz。如果计数式频率计的显示器单位为“KHz”，则显示100.000KHz，即小数点定位在第三位。不难设想，若将闸门时间设为T=0.1S，则计数值为10000，这时，显示器的小数点只要根据闸门时间T的改变也随之自动往右移动一位(自动定位)，那么，显示的结果为100.00Khz。在计数式数字频率计中，通过选择不同的闸门时间，可以改变频率计的测量范围和测量精度。

1.2 测周方法

测周方法即：被测信号（频率或周期待测）做门控信号，T为未知量，做门控信号T，然后在门控信号有效的时间段内对时基信号脉冲计数，原理图如下图所示：

图1-2 测周方法原理图

计数器测周的基本原理刚好与测频相反，即由被测信号控制主门开门，而用时标脉冲进行计数，所以实质上也是一种比较测量方法。

1.3 等精度测量法

等精度测量法的核心思想是通过闸门信号与被测信号同步，将闸门时间τ控制为被测信号周期长度的整数倍。测量时，先打开预置闸门，当检测到被测

信号脉冲沿到达时，标准信号时钟开始计数。预置闸门关闭时，标准信号并不

立即停止计数，而是等检测到被测信号脉冲沿到达时才停止，完成被测信号整

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数个周期的测量。测量的实际闸门时间可能会与预置闸门时间不完全相同，但最大差值不会超过被测信号的一个周期。

在等精度测量法中，相对误差与被测信号本身的频率特性无关，即对整个测量域而言，测量精度相等，因而称之为“等精度测量”。标准信号的计数值越

f可以提高测量精大则测量相对误差越小，即提高门限时间τ和标准信号频率

c

度。在精度不变的情况下，提高标准信号频率可以缩短门限时间，提高测量速度。原理图如下：

图1-4 等精度测量的原理图

1.4 放大整形电路

放大整形电路包括衰减器、跟随器、放大器、施密特触发器，衰减器由两个双向限幅二极管构成，将来的信号限制在0.7v到-0.7v之间。跟随器由一个集成运算放大器组成，以增大带负载能力。放大器为由集成运放构成一个同向比例放大器，放大位数为50倍。施密特触发器由555定时器组成，实现对波形的整形，整形后的方波送到闸门以便计数。

其仿真电路如下图所示：

4

5

图1-5 放大整形电路

当输入信号为0.5V 时，仿真放大整形后的输出结果如下图示：

图 1-6 放大整形电路仿真结果（一）

当输入信号为3V 时，仿真放大整形后的输出结果如下图示：

图 1-6 放大整形电路仿真结果（二）

当输入信号为10V 时，仿真放大整形后的输出结果如下图示：

1.5 时基信号产生

系统所使用的时钟信号由时基信号产生模块产生，它由一块晶体振荡器及简单的电路组成，如下图所示：

图 1-7 时基信号产生电路

图 1-6 放大整形电路仿真结果（三）

第二章任务要求

设计一个计数式频率计，其频率测量范围为10Hz～1MHz，测量结果用6只数码管显示。有三个带锁按键开关(任何时候都只能有一个被按下)被用来选择1S、0.1S和0.01S三个闸门时间中的一个。有一个按钮开关用来使频率计复位。有两只LED，一只用来显示闸门的开与闭，另一只当计数器溢出时做溢出指示。下图显示了该频率计前面板的基本排布构想。

第三章各模块功能及介绍

3.1 分频器

由于晶体振荡器提供的为48M的时钟，而在整个频率计里将用到周期为2s、0.2s和0.02s的闸门信号，还有译码显示的扫描信号1KHz ，所以我们在此模块先分频产生1Hz、10Hz、100Hz、1KHz四个分频信号，以留作其它模块用。

分频分别采用4个计数器来实现，当计到一定的值时输出的分频信号翻转，最后分别获得4个分频输出，分频器模块如下图所示：

图3-1 分频器模块

此模块的复位为同步方式，当复位有效时，输出将清零。

源程序如下：

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