周期法频率计的设计

   

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周期法频率计

  分析：

设计过程：

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周期法频率计

对于低频信号，应用周期法进行测频。周期法测频的基本原理是：应用标准频率信号统计被测信号两个相邻脉冲之间的脉冲数，然后通过脉冲数计算出被测信号的周期，再根据频率与周期之间的倒数关系计算出频率值。

  分析：

（1）10mHz信号的周期为100秒。若应用50MHz晶振信号统计被测信号的周期，则两个相邻脉冲之间需要统计（50×106×100=）5×109个脉冲，因此需要应用33位二进制计数器（233=8588934592>5×109）进行计数。 （2）被测信号的周期以两个相邻脉冲的边沿为基准进行测量。

    信号边沿检测的通用方法是：应用同步寄存器来捕获和存储被测频率信号。若应用三级右移寄存器作为同步器，如图所示，当存储数据Q0Q1Q2=x10 时,表示检测到被测信号的上升沿，存储数据Q0Q1Q2=x01时,表示检测到被测信号的下降沿，其中x表示无关位。

描述信号边沿检测电路的Verilog代码参考如下：

module edge_detector (input det_clk,        // 时钟,50MHzinput rst_n,          // 复位信号,低电平有效input x_signal,       // 被测信号output wire rising_edge,  // 上升沿标志,高电平有效output wire fall_edge     // 下降沿标志,高电平有效);reg [0:2] sync_reg;      // 三级同步寄存器定义// 同步移存过程always @( posedge det_clk or negedge rst_n ) if ( !rst_n )  sync_reg <= 3'b000;else   sync_reg <= { x_signal, sync_reg[0:1] };// 边沿检测逻辑assign rising_edge  =  sync_reg[1] & ~sync_reg[2];assign fall_edge    = ~sync_reg[1] &  sync_reg[2];
endmodule

设计过程：

对于周期法频率计，状态机内部需要定义4个状态：复位(RESET)、空闲(IDLE)、计数(COUNT)和结束(DONE)。   状态转换的基本思路是： （1）复位信号有效时，强制状态机处于RESET状态； （2）复位信号撤销后，状态机转入IDLE状态，等待被测信号的有效沿。 （3）检测到第一个有效沿时，状态机转入COUNT状态，开始进行计数； （4）检测到第二个有效沿时，状态机转入DONE状态，停止计数并输出周期计数值； （5）状态机处于DONE时，下一个时钟脉冲转入IDLE状态。

根据上述状态转换图，描述周期测量状态机的Verilog代码参考如下：

module period_detector (input det_clk,                      // 检测电路时钟,50MHzinput rst_n,                        // 复位信号，低电平有效input x_signal,                     // 被测频率信号output reg [32:0] period_value   // 周期测量值);// 状态定义及编码localparam RESET  = 4'b0001;localparam IDLE    = 4'b0010;localparam COUNT = 4'b0100;localparam DONE   = 4'b1000;// 内部线网和变量定义reg [0:2] sync_reg;                                         // 移位寄存变量(* synthesis,probe_port,keep *) wire fall_edge;          // 下降沿标志reg [3:0] current_state,next_state;                       // 现态与次态(* synthesis,probe_port,keep *) wire cnt_en;             // 计数允许信号(* synthesis,probe_port,keep *) reg [32:0] period_cnt;  // 周期计数值// 下降沿检测逻辑assign fall_edge = ~sync_reg[1] & sync_reg[2];// 计数允许逻辑assign cnt_en = ( current_state == COUNT );// 同步移存过程always @( posedge det_clk or negedge rst_n ) if ( !rst_n )   sync_reg <= 3'b000;else   sync_reg [0:2] <= { x_signal, sync_reg[0:1] };    // 状态机转换过程always @( posedge det_clk or negedge rst_n )if ( !rst_n )  current_state <= RESET; else   current_state <= next_state;// 次态逻辑描述always @ ( current_state )case ( current_state )RESET: next_state <= IDLE;IDLE: if ( fall_edge )   next_state <= COUNT;else       next_state <= IDLE;COUNT: if ( fall_edge )   next_state <= DONE;else      next_state <= COUNT;DONE: next_state <= IDLE;default:  next_state <= RESET;endcase// 周期计数过程always @( posedge det_clk ) if ( current_state == IDLE )period_cnt <= {33{1'b0}};else if ( cnt_en )period_cnt <= period_cnt + 1'b1;// 计数锁存过程always @ ( current_state )if ( current_state == DONE )period_value <= period_cnt; 
endmodule

上述状态机代码的仿真波形如图所示。从图中可以看出，状态机时序正确。

   应用状态机统计到被测信号周期的计数值period_value后，还需要将计数值转换为周期值，然后再换算为频率值。    由于状态机的时钟为50MHz，所以标准信号的周期 Tdet_clk=20ns，因此被测信号的周期值Tx为      Tx = period_value × Tdet_clk =  period_value × 20  (ns) 因此，被测信号的频率值为    fx = 1/Tx = 109/ (period_value × 20) = 5×107/ period_value  (Hz) 由上式可以看出，需要应用除法器来计算被测信号的频率值。

   测量10mHz~10kHz低频信号的频率，定义被测信号的频率大于等于1Hz时，频率值以“4位整数+4位小数”的格式显示，被测信号的频率小于1Hz时，频率值以“8位小数”的格式显示。  

   设fx=qqq...qqqq.rrrr rrrr...r。为处理方便，先将计算得到的频率值fx扩大108倍，因此，当频率小于1Hz时除法的商即为实际的频率值，以“8位小数”格式显示。当频率大于小于1Hz时，再缩小104倍（相当于将fx只扩大104倍），则以“4位整数+4位小数”加上小数点显示时，即为实际的频率值。     由于被除数5×1015需要用53位二进制数（252<5×1015<253）表示，而除数period_value为33位二进制数，因此需要定制53位二进制数除以33位二进制数的除法器。

 在“DIVIDER_for_freqor_inst.v”前打√，表示生成例化模板文件，以便可以应用例化语句调用定制的除法器。

根据上述处理思路，将周期计数值转换为频率的Verilog描述代码参考如下：

 module period2freq (input  [32:0] period_value,        // 33位周期计数值output wire [27:0] freq_value,    // 频率值，需要应用BIN28toBCD转换为8个BCD码output wire         DP_flag        // 小数点标志);// 内部线网定义wire [52:0] div_quotient;         // 53位除法商数wire [32:0] div_remain;           // 33位除法余数wire [52:0] freq_temp;           // 商数÷10000// 除法器IP例化 DIVIDER_for_freqor DIVIDER_for_freqor_inst (.denom ( period_value ),                // 分母,周期计数值.numer ( 53'd5000000000000000 ),  // 分子,常数5×1015.quotient ( div_quotient ),              // 除法商数,53位.remain ( div_remain )                  // 除法余数,33位);// 频率显示值和小数点标志输出assign freq_temp  =  div_quotient/10000; assign freq_value = (div_quotient<100000000)?   // 小于108？div_quotient[27:0] :   // 小于1Hz,以“8位小数”显示freq_temp[27:0];      // 大于等于1Hz,以“4位整数+4位小数”显示assign DP_flag = ( div_quotient<100000000 )?  0 : 1; endmodule

   20路分频式信号源，输出信号频率为：0.01~6103Hz，由4.5节中模块fx32.v简化而来。

module fx20 (   input        clk50,   // 时钟,50MHzinput [4:0]  fsel,    // 频率选择output reg  fpout    // 信号源输出);// 内部变量定义reg [31:0] q;         // 计数变量// 计数逻辑描述always @(posedge clk50 )  q <= q + 1'b1;// 输出选择过程 always @(fsel,q)     case (fsel)  // 根据fsel分频输出5'b01100: fpout = q[12];  // 6103.515625Hz5'b01101: fpout = q[13];  // 3051.7578125Hz 5'b01110: fpout = q[14];  // 1525.87890625Hz         5'b01111: fpout = q[15];   // 762.939453125Hz5'b10000: fpout = q[16];   // 381.4697265625Hz  5'b10001: fpout = q[17];   // 190.7348631825Hz5'b10010: fpout = q[18];   // 95.367431640625Hz5'b10011: fpout = q[19];   // 47.6837158203125Hz5'b10100: fpout = q[20];   // 23.84185791015625Hz5'b10101: fpout = q[21];   // 11.920928955078125Hz5'b10110: fpout = q[22];   // 5.9604644775390625Hz5'b10111: fpout = q[23];   // 2.9802322876953125Hz5'b11000: fpout = q[24];   // 1.490116119384765625Hz5'b11001: fpout = q[25];   // 0.7450580596923828125Hz5'b11010: fpout = q[26];   // 0.37252902984619140625Hz5'b11011: fpout = q[27];   // 0.186264514923095703125Hz5'b11100: fpout = q[28];   // 0.0931322574615478515625Hz5'b11101: fpout = q[29];   // 0.04656612873077392578125Hz5'b11110: fpout = q[30];   // 0.023283064365386962890625Hz5'b11111: fpout = q[31];   // 0.0116415321826934814453125Hzdefault:  fpout = q[14];  // 1525.87890625Hzendcaseendmodule