基于FPGA 的簡易數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì)

王俊博

（電子科技大學(xué)成都學(xué)院，四川 成都611731）

許多物理量比如振動頻率、轉(zhuǎn)速等的測量都轉(zhuǎn)化為頻率的測量，因此數(shù)字頻率計(jì)在電子工程、儀器儀表等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用，本文主要介紹基于FPGA 實(shí)現(xiàn)數(shù)字頻率計(jì)的幾種方法以及數(shù)字頻率計(jì)的基本工作原理，并且利用Verilog 語言在Quartus II 軟件上進(jìn)行了仿真，本文介紹的數(shù)字頻率計(jì)具有原理簡單、成本低、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。

1 數(shù)字頻率計(jì)的實(shí)現(xiàn)原理及方法

“頻率”指周期性信號在單位時(shí)間內(nèi)變化的次數(shù)。最簡單的頻率測量原理是在一定時(shí)間內(nèi)對被測周期性信號進(jìn)行計(jì)數(shù)，在一定時(shí)間內(nèi)測得信號變化次數(shù)，用變化次數(shù)除以時(shí)間即為周期信號的頻率。

數(shù)字頻率計(jì)測量頻率的原理圖如圖1 所示，輸入的脈沖信號，經(jīng)過放大整形模塊將被測信號進(jìn)行整形，整形成脈沖信號，閘門電路由標(biāo)準(zhǔn)秒信號控制，輸入整形后的脈沖信號經(jīng)過閘門信號當(dāng)閘門打開時(shí)，被測的脈沖信號可以送到后面的計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，后面鎖存器用來對計(jì)數(shù)值進(jìn)行鎖存，通過顯示器顯示被測信號頻率。

圖1 頻率計(jì)測量原理圖

其中分頻器作用是得到特定頻率的脈沖信號，從而產(chǎn)生門控電路所需要的標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間脈沖信號，門控信號控制閘門的開和關(guān)，只有在閘門開通的時(shí)間中，方波脈沖才能通過門，計(jì)數(shù)器才會開始計(jì)數(shù)。

圖2 控制模塊仿真圖

圖3 鎖存模塊仿真圖

圖4 計(jì)數(shù)模塊仿真圖

圖5 頂層模塊圖

圖6 總體仿真圖

2 數(shù)字頻率計(jì)具體實(shí)現(xiàn)

數(shù)字頻率計(jì)主要模塊有分頻模塊、控制模塊、計(jì)數(shù)模塊、鎖存模塊顯示模塊等，下面主要控制模塊、計(jì)數(shù)模塊和鎖存模塊。

2.1 控制模塊

控制模塊主要產(chǎn)生需要的的一些控制信號，控制模塊中的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘可以由分頻器產(chǎn)生，標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘為1Hz，控制模塊產(chǎn)生三個(gè)控制信號，一個(gè)信號用于每次測量開始時(shí)對計(jì)數(shù)器模塊進(jìn)行清零，進(jìn)行復(fù)位操作，高電平有效，用來清除上次的計(jì)數(shù)結(jié)果，還有一個(gè)信號是計(jì)數(shù)允許控制信號，在信號上升沿到來時(shí)開始對輸入信號進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)時(shí)間剛好是一個(gè)周期，即時(shí)間為1s，這樣計(jì)數(shù)值即為所測量頻率數(shù)值，最后一個(gè)信號為鎖存信號，鎖存信號有效對計(jì)數(shù)值進(jìn)行鎖存。控制模塊仿真圖如圖2 所示。

2.2 鎖存模塊

鎖存模塊也是頻率計(jì)必不可少的，測量模塊完成測量后，鎖存模塊將測量值鎖存到寄存器中，然后輸出可以在顯示器上顯示相應(yīng)頻率值。鎖存模塊仿真波形如圖3 所示。

2.3 計(jì)數(shù)模塊

計(jì)數(shù)模塊的主要所用就是對被測信號進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而得到被測信號的頻率值，本設(shè)計(jì)中的計(jì)數(shù)器采用級聯(lián)方式實(shí)現(xiàn)的，結(jié)構(gòu)簡單易于實(shí)現(xiàn)，計(jì)數(shù)模塊的仿真圖如圖4 所示。

2.4 系統(tǒng)總體仿真

系統(tǒng)的頂層模塊如圖5 所示，該模塊由控制模塊，計(jì)數(shù)模塊，鎖存模塊構(gòu)成。

總體仿真圖如果6 所示，從仿真波形看本文設(shè)計(jì)的數(shù)字頻率計(jì)滿足設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)論

本文采用自底向上的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的簡易數(shù)字頻率計(jì)，采用分塊設(shè)計(jì)的思想，分別設(shè)計(jì)了技術(shù)模塊、控制模塊以及鎖存模塊，通過仿真圖看出能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)要求，本方法設(shè)計(jì)的數(shù)字頻率計(jì)主要優(yōu)點(diǎn)是原理簡單、易于實(shí)現(xiàn)，滿足設(shè)計(jì)要求。