四位十进制频率计

目录一、设计任务与要求 (2)二、总体框图 (2)三、选择器件 (3)四、功能模块 (3)五、总体设计电路 (12)四位十进制频率计一、设计任务与要求1、用大规模可编程器件设计一个数字频率计，主要技术指标如下：1)频率测量范围：1Hz~10kHz。

2)数字显示位数：4位数字显示。

3)测量时间：t<=1.5s。

2、利用设计软件对EP1C12Q240C8器件进行设计输入设计仿真及器件编程，使其具备要求的逻辑功能。

3、计算参数，安装、调试电路。

4、画出完整电路图，写出设计总结报告。

5、选作内容：用数字频率计测量信号周期。

二、总体框图模块功能1)计数器：实现十进制计数功能。

2)锁存器：锁存信号。

3)频率信号控制发生器：输入端clk收到1Hz信号后，其输出端testen控制各个计数器的使能，clr_cnt控制各个计数器的清零，load控制锁存器内数据的输出。

4)译码驱动电路：将锁存器输出的BCD码译码，译码后输送到译码显示器件。

5)数码管显示：显示待测信号的频率值。

设计思路频率测量的基本原理是计算每秒钟内待测信号的脉冲个数。

这就要求testpl的计数使能信号tsten能产生一个1秒脉宽的周期信号，并对频率计的每一计数器cnt10的使能端ena进行同步控制。

当tsten为高电平"1"时，允许计数；为低电平"0"时停止计数，并保持其计数结果。

在停止计数期间，首先需要一个锁存信号load的上跳沿将计数器在前1 秒种的计数值锁存进16位锁存器reg16b中。

锁存信号之后，必须有一个清零信号clr_cnt对计数器进行清零，为下1 秒的计数操作做准备，然后由数码管显示出来。

三、选择器件电路中的所有器件都是VHDL语言设计生成的，所以无通用常规器件。

四、功能模块分频器library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity div isport(clk_in:IN std_logic;div_outb,div_outc:out std_logic);end div;ARCHITECTURE a of div issignal fre_nb:integer range 0 to 25000000;signal fre_nc:integer range 0 to 100000;signal clk_tmpb:std_logic;signal clk_tmpc:std_logic;begindiv_outb<=clk_tmpb;div_outc<=clk_tmpc;process(clk_in) beginif falling_edge(clk_in) then if fre_nb>24999999 then fre_nb<=0;clk_tmpb<=not clk_tmpb; elsefre_nb<=fre_nb+1; end if;if fre_nc>99999 then fre_nc<=0;clk_tmpc<=not clk_tmpc; elsefre_nc<=fre_nc+1; end if; end if;end process;end a;逻辑功能：将50MH 分频为单位脉冲1Hz 和扫描频率。

--VHDL 频率计--一个有效位为4位的十进制的数字频率计。

library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;use ieee.std_logic_arith.all;entity freq isport(fsin:in std_logic;--被测信号clk:in std_logic;--基准时间，1Hzreset : in std_logic;show:out std_logic_vector(6 downto 0);--数码管段码输出row:out std_logic_vector(3 downto 0));--数码管选择信号end freq;architecture one of freq issignal test_en:std_logic;signal clear:std_logic;--复位信号signal data:std_logic_vector(15 downto 0);--bcdsignal data_in:std_logic_vector(3 downto 0);--单个数码管显示signal row_in:std_logic_vector(3 downto 0);--数码管的选择begin--分频，得到0.5Hz信号test_enprocess(clk)beginif clk'event and clk='1' thentest_en<=not test_en;end if;end process;clear<=not clk and not test_en;--定义clear信号process(fsin)beginif reset= '1' thenrow_in <= "0001";elsif fsin'event and fsin='1' thenif row_in="0001" then row_in<="0010";elsif row_in="0010" then row_in<="0100";elsif row_in="0100" then row_in<="1000";elsif row_in="1000" then row_in<="0001";end if;end if;end process;--在1秒钟时间内对被测脉冲信号计数process(fsin,test_en)beginif clear='1' then data<="0000000000000000";elsif fsin'event and fsin='1' thenif test_en='1' thenif data(15 downto 0)="1001100110011001" then data<=data+"0110011001100111"; --9999->0000elsif data(11 downto 0)="100110011001" then data<=data+"011001100111";--999->1000elsif data(7 downto 0)="10011001" then data<=data+"01100111";--99->100elsif data(3 downto 0)="1001" then data<=data+"0111";--9->10else data<=data+'1';end if;end if;end if;end process;--根据所选数码管显示数据process(row_in)beginrow(3 downto 0)<=row_in(3 downto 0);case row_in iswhen "0001"=>data_in<=data(3 downto 0);when "0010"=>data_in<=data(7 downto 4);when "0100"=>data_in<=data(11 downto 8);when "1000"=>data_in<=data(15 downto 12);when others=>data_in<="XXXX";end case;end process;--根据欲显示的数据配置数码管process(data_in)begincase data_in iswhen "0000"=>show<="0111111";when "0001"=>show<="0000110";when "0010"=>show<="1011011";when "0011"=>show<="1001111";when "0100"=>show<="1100110";when "0101"=>show<="1101101";when "0110"=>show<="1111101";when "0111"=>show<="0000111";when "1000"=>show<="1111111";when "1001"=>show<="1101111";when others=>show<="1000110";end case;end process;end one;--------------------------------------------------------------------实验要求：设计一个有效位为4位的十进制的数字频率计。

4位十进制频率计设计频率计是一种用来测量信号频率的仪器或设备，它广泛应用于电子、通信、无线电、音频和视频等领域。

本文将介绍一种设计思路，用于实现一个4位十进制频率计。

==设计思路==为了设计一个能够测量高精度频率的4位十进制频率计，我们需要考虑以下几个关键因素：1.输入范围：频率计应该能够适应不同频率范围的输入信号，从几赫兹到几百兆赫兹。

为了实现这一点，我们可以选择一个高性能的计数器和适当的预分频器。

2.分辨率：分辨率是指频率计能够测量的最小变化量。

较高的分辨率可以提供更精确的测量结果。

为了实现较高的分辨率，我们可以选择一个高位数的计数器以及适当的预分频器。

3.显示和输出：频率计应该能够以易读的方式显示测量结果，并可以通过输出接口连接到其他设备或系统。

基于以上要求，我们可以采用以下设计思路来实现4位十进制频率计。

1.时钟源：选择一个高稳定性的晶振作为频率计的时钟源。

晶振的稳定性对于频率计的测量精度非常重要。

2.频率测量：我们可以使用计数器和预分频器的组合来测量输入信号的频率。

计数器将输入信号进行计数，并以预定的时间间隔将计数器的值读取到显示寄存器中。

a.计数器：选择一个具有足够位数的计数器，以提供较高的分辨率。

例如，采用16位或者更高位的计数器，可以提供较高的计数能力和分辨率。

b.预分频器：使用预分频器将输入信号的频率降低到易于计数器处理的范围内。

预分频器的选择要根据输入信号的频率范围来确定。

比如，对于输入信号频率范围为几赫兹到几百兆赫兹，我们可以选择一个可设置不同分频系数的预分频器。

c.计数时间：选择一个适当的计数时间来保证测量结果的准确性。

较短的计数时间会降低分辨率，较长的计数时间会增加测量误差。

通过权衡这两者，我们可以设定一个合适的计数时间。

3.显示和输出：在实现频率计的显示和输出功能时，我们可以采用以下几种方式：a.LED数码管：选择一个4位数码管显示器来显示频率测量结果。

设计一个驱动电路，将显示寄存器中的计数值转换为相应的数码管显示。

四位十进制频率计EDA实验报告实验四四位十进制频率计实验目的1.掌握四位十进制频率计的工作原理并能够用virlog语言编写代码，进一步熟悉EDA6000实验箱的使用方法。

2.进一步熟悉quartusII建立程序编译、仿真及下载的操作流程并学会四位十进制频率计的Verilog硬件设计。

3.代码modulefrecounter(clk,uclk,ge_bit,shi_bit,bai_bit,qian_bit);input clk,uclk;output [3:0] ge_bit,shi_bit,bai_bit,qian_bit;reg [3:0]ge_bit,shi_bit,bai_bit,qian_bit;reg div,en,load,cls;reg [3:0] A,B,C,D;always @(negedge clk)begin div=~div;en=div;load=~en;cls=clk&load;endalways @(posedge uclk or posedge cls)beginif(cls) begin A=4'd0;B=4'd0;C=4'd0;D=4'd0; endelse if(en) begin A=A+4'd1;if(A==4'D10) begin A=4'd0;B=B+4'd1; endif(B==4'D10) begin B=4'd0;C=C+4'd1; endif(C==4'D10) begin C=4'd0;D=D+4'd1; endendendalways @(posedge load)beginge_bit=A;shi_bit=B;bai_bit=C;qian_bit=D;endendmodule实验步骤1.新建Verilog工程，编写代码并保存至与模块名对应的文件夹。

重庆交通大学信息科学与工程学院综合性实验报告姓名：学号班级：专业级班实验项目名称：四位十进制频率计设计实验项目性质：综合性设计实验实验所属课程： EDA技术实验室(中心)：现代电子实验中心指导教师：实验完成时间： 2011 年 10月 29日一、课题任务与要求设计一个数字频率计，能用数码管动态当前输入频率，并能达到以下要求：1、四位十进制频率计2、显示范围1Hz~10KHz3、显示时间不少于1S4、具有记忆显示的功能，即在测量过程中不刷新数据，等结束后才显示测量结果，给出待测信号的频率值，并保存到下一次测量结束。

二、设计系统的概述1、分析设计要求可知：此系统需用到多路时钟信号，因此在设计时首先考虑之中信号的引入，本设计中从外部输入频率为1Hz的CLK1Hz信号，然后通过编程将此信号进行处理得到所需的多路信号：en是使能信号、l ock是锁存信号、rst是复位信号，它们的基本时序关系如下：2、设计一个4位的十进制加法计数器，用来统计1s内输入的外部脉冲个数（单位时间内的输入脉冲数即输入信号的频率）。

3、为了能够使数码管上的示数保持至少1s还需要配合lock锁存信号设计一个锁存器，在锁存信号有效期间，数码管的示数保持不变。

4、当完成了计数之后还需对4位十进制计数器的输出信号进行译码输出，在此设计了一个7段数码管的译码显示电路。

三、单元电路的设计与分析（重点描述自己设计部分）总体设计电路框图：1、时钟控制电路（clock）library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity clock isport(clk1Hz:in std_logic;rst,en,lock:out std_logic);end entity clock;architecture one of clock issignal div2:std_logic;beginp1:process(clk1Hz)beginif(clk1Hz'event and clk1Hz='1') thendiv2<=not div2;end if;end process p1;p2:process(clk1Hz,div2)beginif clk1Hz='0' and div2='0' then rst<='1';else rst<='0';end if;end process p2;en<=div2;lock<=not div2;end one;2、一位的十进制计数电路（cnt10）library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity cnt10 isport(clk,rst,en:in std_logic;count:out std_logic;q:out std_logic_vector(3 downto 0));end entity cnt10;architecture one of cnt10 issignal temp:std_logic_vector(3 downto 0);beginprocess(clk,rst,en)beginif rst='1' then temp<="0000";elsif(clk'event and clk='1')and en='1' thenif temp="1001" then temp<="0000";count<='1';else temp<=temp+1;count<='0';end if;end if;end process;q<=temp;end one;3、四位十进制计数器电路(cnt4_10)library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity cnt4_10 isport(clkin,rst,en:in std_logic;count:out std_logic;q:out std_logic_vector(15 downto 0));end entity cnt4_10;architecture one of cnt4_10 iscomponent cnt10 isport(clk,rst,en:in std_logic;count:out std_logic;q:out std_logic_vector(3 downto 0));end component;signal temp:std_logic_vector(2 downto 0);beginu1:cnt10 port map(clkin,rst,en,temp(0),q(3 downto 0));u2:cnt10 port map(temp(0),rst,en,temp(1),q(7 downto 4));u3:cnt10 port map(temp(1),rst,en,temp(2),q(11 downto 8));u4:cnt10 port map(temp(2),rst,en,count,q(15 downto 12));end architecture one;4、锁存器电路(reg16)library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity reg16 isport(lockin:in std_logic;din:in std_logic_vector(15 downto 0);dout:out std_logic_vector(15 downto 0));end entity reg16;architecture one of reg16 isbeginprocess(lockin,din)beginif lockin'event and lockin='1'then dout<=din;end if;end process;end architecture one;5、译码显示电路(shuma)library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity shuma isport(din:in std_logic_vector(15 downto 0);dout:out std_logic_vector(27 downto 0));end entity shuma;architecture one of shuma isbeginprocess(din)beginfor i in 0 to 3 loopcase din((4*i+3) downto (4*i)) iswhen "0000"=>dout((7*i+6) downto (7*i))<="0111111";when "0001"=>dout((7*i+6) downto (7*i))<="0000110";when "0010"=>dout((7*i+6) downto (7*i))<="1011011";when "0011"=>dout((7*i+6) downto (7*i))<="1001111";when "0100"=>dout((7*i+6) downto (7*i))<="1100110";when "0101"=>dout((7*i+6) downto (7*i))<="1101101";when "0110"=>dout((7*i+6) downto (7*i))<="1111101";when "0111"=>dout((7*i+6) downto (7*i))<="0000111";when "1000"=>dout((7*i+6) downto (7*i))<="1111111";when "1001"=>dout((7*i+6) downto (7*i))<="1101111";when others=>NULL;end case;end loop;end process;end architecture one;6、元件例化总电路library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity freq_counter isport(clockin,freq:in std_logic;cout:out std_logic;dout:out std_logic_vector(27 downto 0));end entity freq_counter;architecture one of freq_counter iscomponent clock isport(clk1Hz:in std_logic;rst,en,lock:out std_logic);end component clock;component cnt4_10 isport(clkin,rst,en:in std_logic;count:out std_logic;q:out std_logic_vector(15 downto 0));end component cnt4_10;component reg16 isport(lockin:in std_logic;din:in std_logic_vector(15 downto 0);dout:out std_logic_vector(15 downto 0));end component reg16;component shuma isport(din:in std_logic_vector(15 downto 0);dout:out std_logic_vector(27 downto 0));end component shuma;signal temp0,temp1,temp2:std_logic;signal temp3,temp4:std_logic_vector(15 downto 0);beginu1:clock port map(freq,temp0,temp1,temp2);u2:cnt4_10 port map(clockin,temp0,temp1,cout,temp3);u3:reg16 port map(temp2,temp3,temp4);u4:shuma port map(temp4,dout);end architecture one;四、电路的仿真、结果及分析当程序设计完成之后，新建波形文件仿真如下：其中：freq表示外部提供的基准时钟信号，频率为1Hz；clockin表示外部待测信号频率，输入值范围0~9999Hz；cout表示计数溢出标志，当计数器完成一轮计数后自动置1；dout表示输出信号，总共28路（每7路接一个数码管，总共可以接4个数码管），分别对应显示输入信号频率的千、百、十、个位从图中可以看出：当clockin输入值为1000Hz时，dout输出0000110011111101111110111111即：1000当clockin输入值为500Hz时，dout输出0111111110110101111110111111即：0500当clockin输入值为200Hz时，dout输出0111111101101101111110111111即：0200输出结果是正确的，和输入应该得到的结果一致，表明程序设计基本没有问题。

4位十进制频率计设计一、实验目的设计4位十进制频率计。

学习较复杂的数字系统设计方法。

二、实验原理根据频率的定义和频率测量的基本原理，测定信号的频率必须有一个脉宽为1秒的对输入信号脉冲计数允许的信号；1秒计数结束后，计数值被锁入锁存器，计数器清零，为下一测频计数周期作准备。

这3个信号可以由一个测频控制信号发生器产生，即图5－1中的TESTCTL，它的设计要求是，TESTCTL的计数使能信号CNT_EN能产生一个1秒脉宽的周期信号，并对频率计的每一计数器CNT10的ENA使能端进行同步控制。

当CNT_EN高电平时，允许计数；低电平时停止计数，并保持其所计的脉冲数。

在停止计数期间，首先需要一个锁存信号LOAD的上跳沿将计数器在前1秒钟的计数值锁存进各锁存器REG4B中，并由外部的7段译码器译出，显示计数值。

设置锁存器的好处是，显示的数据稳定，不会由于周期性的清零信号而不断闪烁。

锁存信号之后，必须有一清零信号RST_CNT对计数器进行清零，为下1秒钟的计数操作作准备。

其工作时序波形如图5－2。

图5-1 4位十进制频率计顶层文件原理图图5-2 频率计测频控制器TESTCTL测控时序图实验步骤设计测频控制器1、为本项设计建立文件夹2、输入设计项目和存盘3、将设计项目设置成工程文件将测频控制器设置为工程文件。

4、选择目标器件并编译如果发现有错，排除错误后再次编译。

5、时序仿真接下来应该测试设计项目的正确性，即逻辑仿真，具体步骤如下：（1）建立波形文件。

用输入总线的方式给出输入信号仿真数据。

（2）输入信号节点。

（3）设置波形参量。

（4）设定仿真时间宽度。

（5）加上输入信号。

（6）波形文件存盘。

（7）运行仿真器。

（8）观察分析波形。

对照测频控制器工作原理，观察显示的时序波形是否正确。

（9）包装元件入库。

设计4位锁存器对照设计测频控制器的实验步骤，设计4位锁存器。

设计分频器设计顶层文件。

1、输入设计项目和存盘根据4位十进制频率计顶层文件原理图。

FPGA—4位十进制频率计4位十进制频率计一、设计目的用Verilog HDL语言设计一个能实现自动测频的4位十进制频率计。

1）测量范围: 1Hz～9999Hz2）测量的数值通过4个数码管显示3）频率超过9999Hz时，溢出指示灯亮，可以作为扩大测量范围的接口。

二、设计原理1、若某一信号在T秒时间里重复变化了N 次，则根据频率的定义可知该信号的频率fs 为：fs=N/T。

2、当T=1s时，N就是测得的频率。

3、根据以上所提出的方法，测定信号的频率必须有一个脉宽为1秒的对输入信号脉冲计数允许的信号；1秒计数结束后，计数值锁入锁存器的锁存信号和为下一测频计数周期作准备的计数器复位信号。

这个复位信号可以由一个测频控制信号发生器产生，即图1中的TESTCTL，它的设计要求是，TESTCTL 的计数使能信号CNT_EN能产生一个1秒脉宽的周期信号，并对频率计的每一计数器CNT10的EN使能端进行同步控制。

当CNT_EN高电平时，允许计数；低电平时停止计数，并保持其所计的脉冲数。

在停止计数期间，每0.01ms锁存器进行一次锁存，并由数码管显示计数值。

设置锁存器是为了使显示的数据稳定，不会由于周期性的清零信号而不断闪烁。

锁存信号之后，必须有一清零信号RST_CNT对计数器进行清零，为下1秒钟的计数操作准备。

图3 芯片信息配置由于我们所采用的板子为RCXQ208_V5 FPGA开发板，所以配置如图所示。

1、新建各个分模块并输入代码。

图4 建立VHDL文件2、建立顶层文件为原理图型，例化各个模块并连接。

图5 建立VHDL文件3、对设计进行综合，如果出现错误，根据提示改正。

图6 综合黄色感叹符号代表有警告，有些警告可以忽略，绿色小勾表示综合成功。

4、建立测试文件并进行仿真，验证设计。

图7 建立激励文件之后一直点击确认即可。

为了结合我们的下载板子的时钟信号，在测试文件中设置时钟单位为10ns,精度为1ps,如图：图8 设置时钟单位仿真文件应验证个端口的正确性。

四位十进制频率计设计报告目录一、题目分析 (3)1、设计原理 (3)二、设计方案 (3)1、顶层实体描述 (3)2、模块划分 (4)3、模块描述 (4)4、顶层电路图 (5)三、方案实现 (5)1、各模块仿真及描述 (5)2、顶层电路仿真及描述 (6)四、硬件测试及说明 (7)五、结论 (7)六、课程总结 (7)七、附录（源程序，加中文注释） (8)1、频率计顶层文件 (8)2、测频控制电路 (9)3、16位锁存器 (9)4、16位计数器 (10)5、十进制加法计数器 (10)一、题目分析1、设计原理根据频率的定义和频率测量的基本原理，测定信号的频率必须有一个脉宽为1S的输入信号脉冲计数允许的信号；1S计数结束后，计数值被锁入锁存器，计数器清零，为下一测评计数周期做好准备。

测频控制信号可以由一个独立的发生器来产生。

2、设计要求：FTCTRL的计数使能信号CNT_EN能产生一个1S脉宽的周期信号，并对频率计中的16位计数器couter16D的ENABL使能端进行同步控制。

当CNT_EN高电平时允许计数；低电平时停止计数，并保持其所计的脉冲数。

在停止计数期间，首先需要一个锁存信号LOAD的上升沿将计数器在前一秒钟的计数值锁进锁存器REG16D中，并由外部的十进制7段译码器译出，显示计数值。

设置锁存器的好处是数据显示稳定，不会由于周期性的清零信号而不断闪烁。

锁存信号后，必须有一清零信号RST_CNT对计数器进行清零，为下一秒的技术操作做准备。

3、实现功能当输入一个待测频率时，在测频信号的控制下，可以通过外部的7段译码器显示出其频率值。

二、设计方案1、顶层实体描述图1：四位十进制频率计顶层实体图2：测频控制电路实体图3: 16位计数器实体图4: 16位锁存器实体图5：十进制加法计数器实体2、模块划分1S的输入信号脉冲计数允许的信号；然后需要一个16位计数器进行计数，由于我们设计的是四位的十进制的频率计，所以还需要用4个十进制的加法计数器来构成所需要的计数器；在技计数完成之后还需要一个锁存器将计数值进行锁存，从而使显示的数值稳定。