基于FPGA的频率计设计

一、原理介绍

1.什么是频率计

频率计是一种专门对被测信号频率进行测量的电子测量仪器。本实验是基于FPGA的频率计，所以主要用于测量方波，若需要测其他波形，则需要加入前级信号处理电路。

2.测量方法与基本原理

1）FPGA普通测量法

直接计数单位时间内的脉冲数。在1s闸门时间内，记录被测信号的脉冲个数Nx，则待测频率Fx=Nx，此方法对低频信号测量误差较大，舍弃。

普通测量法（图未画基准时钟）

测量时，门宽不一定为1s，所以给出通常情况下的计算公式：

其中，clk_fs为基准时钟，clk_fx为待测信号，fs_cnt为基准时钟个数，fx_cnt为待测时钟个数

2）FPGA等精度测量法

本方案除给定闸门时间外，还由被测信号再生成一路计数允许信号。计数允许信号在闸门时间内第一个被测信号的上升沿开启，在闸门时间结束后被测信号的第一个上升沿结束，最后在计数允许信号的有效时间内，分别对标准频率信号个数、被测信号个数和被测信号高电平时间内标准频率信号个数计数后，再经过相关运算即可得所求频率、占空比和时间间隔。

等精度测量法（同样未画基准时钟）

3）FPGA代码设计

FPGA主要完成测量待测信号频率，对输入信号个数和标准信号个数进行计数。本实验针对这部分进行设计。

3.待测信号如何输入FPGA

1）管脚图：GPIO部分（FPGA型号：Cyclone III    EP3C16F484C6N）

FPGA主要完成测量待测信号频率，对输入信号个数和标准信号个数进行计数。本实验针对这部分进行设计。

原则：一定！一定！一定注意所配管脚与实际管脚的位置，配哪个用哪个，用哪个配哪个。

2）使用杜邦线连接信号源，为防止FPGA被烧坏，信号源要设置为输出3.3Vpp，偏移1.65V。

二、实验程序

1.RTL图

显而易见，频率计有三个部分：门信号，边沿检测，计数器

2.Verilog（参考设计）

1.门控部分：

module gate
( input clk_fs , // 基准时钟信号 input rst_n , // 复位信号 //cymometer interface input clk_fx ,//待测信号 output	reg	gate , //门控信号 output reg gate_fs // 同步到基准时钟的门控信号 );
localparam GATE_TIME = 16'd5_000; // 门控时间设置
reg [15:0] gate_cnt ; // 门控计数
reg gate_fs_r ; // 用于同步gate信号的寄存器
//门控信号计数器，使用被测时钟计数
always @(posedge clk_fx or negedge rst_n) begin if(!rst_n) gate_cnt <= 16'd0; else if(gate_cnt == GATE_TIME + 5'd20) gate_cnt <= 16'd0; else gate_cnt <= gate_cnt + 1'b1;
end
//门控信号，拉高时间为GATE_TIME个实测时钟周期
always @(posedge clk_fx or negedge rst_n) begin if(!rst_n) gate <= 1'b0; else if(gate_cnt < 4'd10) gate <= 1'b0; else if(gate_cnt < GATE_TIME + 4'd10) gate <= 1'b1; else if(gate_cnt <= GATE_TIME + 5'd20) gate <= 1'b0; else gate <= 1'b0;
end
//将门控信号同步到基准时钟下
always @(posedge clk_fs or negedge rst_n) begin if(!rst_n) begin gate_fs_r <= 1'b0; gate_fs <= 1'b0; end else begin gate_fs_r <= gate; gate_fs <= gate_fs_r; end
end
endmodule

2.边沿检测

module pexg( input clk_fs , // 基准时钟信号 input rst_n , // 复位信号 input clk_fx ,	input gate,	input gate_fs , output neg_gate_fs, output neg_gate_fx );
reg gate_fs_d0 ; // 用于采集基准时钟下gate下降沿
reg gate_fs_d1 ; //
reg gate_fx_d0 ; // 用于采集被测时钟下gate下降沿
reg gate_fx_d1 ; //
//wire define
//边沿检测，捕获信号下降沿
assign neg_gate_fs = gate_fs_d1 & (~gate_fs_d0);
assign neg_gate_fx = gate_fx_d1 & (~gate_fx_d0);
//打拍采门控信号的下降沿（被测时钟）
always @(posedge clk_fx or negedge rst_n) begin if(!rst_n) begin gate_fx_d0 <= 1'b0; gate_fx_d1 <= 1'b0; end else begin gate_fx_d0 <= gate; gate_fx_d1 <= gate_fx_d0; end
end
//打拍采门控信号的下降沿（基准时钟）
always @(posedge clk_fs or negedge rst_n) begin if(!rst_n) begin gate_fs_d0 <= 1'b0; gate_fs_d1 <= 1'b0; end else begin gate_fs_d0 <= gate_fs; gate_fs_d1 <= gate_fs_d0; end
end
endmodule

3.计数器

module CNT #(parameter CLK_FS = 26'd50_000_000,// 基准时钟频率	parameter MAX = 10'd64) // 定义数据位宽 ( //system clock input clk_fs , // 时钟信号 input rst_n , // 复位信号 //cymometer interface input clk_fx , // 待测信号	input gate, // 门控信号（与待测时钟同步）	input gate_fs, // 与基准时钟同步的门控信号	input neg_gate_fx,//	input neg_gate_fs,//	output reg [MAX-1:0] fs_cnt , //门控时间内基准时钟信号的个数	output reg [MAX-1:0] fx_cnt , // 门控时间内待测信号的个数	output reg	[MAX-1:0] data_fx_temp // 待测信号的频率值
);
reg [MAX-1:0] fs_cnt_temp ; // fs_cnt 计数
reg [MAX-1:0] fx_cnt_temp ; // fx_cnt 计数
//门控时间内待测信号的计数，设置的为5000个，这里重新计数，只是用于检验信号是否正确
always @(posedge clk_fx or negedge rst_n) begin if(!rst_n) begin fx_cnt_temp <= 32'd0; fx_cnt <= 32'd0; end else if(gate)begin fx_cnt_temp <= fx_cnt_temp + 1'b1; end else if(neg_gate_fx) begin fx_cnt_temp <= 32'd0; fx_cnt <= fx_cnt_temp; end
end
//门控时间内基准时钟的计数
always @(posedge clk_fs or negedge rst_n) begin if(!rst_n) begin fs_cnt_temp <= 32'd0; fs_cnt <= 32'd0; end else if(gate_fs) begin fs_cnt_temp <= fs_cnt_temp + 1'b1; end else if(neg_gate_fs) begin fs_cnt_temp <= 32'd0;	fs_cnt <= fs_cnt_temp; end
end
//计算待测信号的频率值
always @(posedge clk_fs or negedge rst_n) begin if(!rst_n) begin data_fx_temp <= 64'd0; end else if(gate_fs == 1'b0)	data_fx_temp <=CLK_FS*fx_cnt/fs_cnt;
end
endmodule

4.顶层

module top_cymometer( //system clock input sys_clk , // 时钟信号 input sys_rst_n, // 复位信号
//spi没有使用
//	input CS_N,
//	input SCLK,
//	output MISO, //cymometer interface input clk_fx , // 被测时钟
// output clk_out , // 输出时钟
//	output [7:0] led0,
//	output [7:0] led1,
//	output [7:0] led2,
//	output [7:0] led3,	output [63:0]data_fx
);
//parameter define
parameter CLK_FS = 26'd50000000; // 基准时钟频率值
gate//生成门控信号
( .clk_fs (sys_clk ), // 基准时钟信号 .rst_n (sys_rst_n), // 复位信号 //cymometer interface .clk_fx (clk_fx ), //待测信号 .gate(gate ) , //门控信号 .gate_fs(gate_fs) // 同步到基准时钟的门控信号 );
pexg//边沿捕获
( .clk_fs (sys_clk ), // 基准时钟信号 .rst_n (sys_rst_n), // 复位信号 .gate(gate ) , //门控信号 .gate_fs(gate_fs), // 同步到基准时钟的门控信号 .clk_fx (clk_fx), //待测信号 .neg_gate_fs(neg_gate_fs), .neg_gate_fx(neg_gate_fx) );
CNT ( //system clock .clk_fs (sys_clk ), // 基准时钟信号 .rst_n (sys_rst_n), // 复位信号 //cymometer interface .clk_fx (clk_fx ), //待测信号 .gate(gate ) ,//门控信号 .gate_fs(gate_fs) ,// 同步到基准时钟的门控信号 .neg_gate_fs(neg_gate_fs), .neg_gate_fx(neg_gate_fx), .fs_cnt(fs_cnt) , // 门控时间内基准时钟的计数值 .fx_cnt(fx_cnt) , // 门控时间内被测时钟的计数值 .data_fx_temp(data_fx)
);
//通过SPI模块实现与单片机通信
//spi(.clk(sys_clk),
// .rst_n(sys_rst_n),
// .CS_N(CS_N),
// .SCLK(SCLK),
// .MOSI(MOSI),
// .txd_data(data_fx),
// .MISO (MISO)
// );
//实现比较，最后调试是通过signaltap分析
//seg_led u_seg_led(
// //module clock
// .clk (sys_clk ), // 数码管驱动模块的驱动时钟
// .rst_n (sys_rst_n), // 复位信号 //user interface
// .data (data_fx ), // 被测频率值
// .seg_led0	(led0),
//	.seg_led1	(led1),
//	.seg_led2	(led2),
//	.seg_led3	(led3)
//);
endmodule

3.指派引脚（很坑）

原则：就是上述原则，用哪个配哪个，要看清楚

to, location
# 50 MHz clock input
sys_clk , PIN_G21
sys_rst_n , PIN_G3
clk_fx , PIN_AB11

由于输出使用SignalTap查看，所以就不指派输出的引脚了，关于SignalTap文件的设置：

sys_clk为50MHz系统时钟，stp主要是为了查看data_fx信号，其他的不重要。

二、调试验证

1.输入不同频率的方波

信号源调整为如图，原则为上述原则，后续只需要更改频率，频率过低的话，测试太慢，从2k开始

2kHz：

100kHz：

1MHz：

10MHz：

7355608Hz：

频率为1k的整数倍时，测量结果精确，频率非整数时，信号源输出可能会有问题，导致一定的误差。

OVER结束