### 基于FPGA的数字频率计设计详解
#### 一、系统整体设计概述
在数字电子领域中，频率计是一种重要的测量工具，用于精确测量信号的频率。本项目介绍了一种基于现场可编程门阵列（Field-Programmable Gate Array，简称FPGA）的数字频率计设计。该设计采用Verilog硬件描述语言完成，能够实现对不同频率范围的信号进行准确测量。
**设计要求：**
1. **被测输入信号：** 方波。
2. **测试频率范围：** 10Hz至100MHz。
3. **量程设置：**
- 第一档：闸门时间为1s时，最大读数为999.999kHz。
- 第二档：闸门时间为0.1s时，最大读数为9999.99kHz。
- 第三档：闸门时间为0.01s时，最大读数为99999.9kHz。
4. **显示工作方式：**
- 使用六位BCD七段数码管显示读数。
- 采用记忆显示方法。
- 实现对高位无意义零的消隐。
**系统设计原理：**
频率测量的基本原理是利用已知的时间间隔来计算某一信号的重复次数。具体来说，就是在一定的时间间隔T内对被测信号进行计数，然后根据计数值N来计算频率f = N / T。
#### 二、系统单元模块划分及功能描述
为了实现上述设计要求，系统可以划分为以下几个主要的单元模块：
1. **分频器：**
- 功能：产生用于计数控制的时钟信号，包括1Hz、10Hz、100Hz脉冲和1kHz的信号用于七段显示数码管的扫描显示。
- 实现方式：利用FPGA内部资源，通过分频逻辑实现对输入时钟信号的分频处理，得到所需的不同频率信号。
2. **闸门选择器：**
- 功能：用于选择不同的闸门时间以及确定后续小数点的显示位置。
- 实现方式：通过控制信号选择不同的闸门时间，同时调整显示结果中小数点的位置。
3. **门控电路：**
- 功能：产生用于计数的使能控制信号、清零信号以及锁存器锁存信号。
- 实现方式：根据选定的闸门时间和控制逻辑，生成相应的控制信号。
4. **计数器：**
- 功能：对输入的待测信号进行脉冲计数。
- 实现方式：利用FPGA内部计数器资源，根据门控信号对输入信号进行计数。
5. **锁存器：**
- 功能：锁存计数器输出的数据，便于后续的译码显示电路进行记忆显示。
- 实现方式：利用FPGA内部的锁存器资源，根据控制信号锁存计数结果。
6. **译码显示：**
- 功能：产生使七段显示数码管的扫描数字显示和小数点显示的输出信号，同时对高位的无意义零进行消隐。
- 实现方式：利用FPGA内部资源实现译码逻辑，将计数结果转换为七段数码管的显示信号，并进行高位消隐处理。
#### 三、单元电路设计实例——分频器
下面以分频器为例，详细介绍其设计过程：
**电路描述：**
分频器电路的主要任务是将一个较高频率的时钟信号（例如48MHz）分频成多个较低频率的信号（1Hz、10Hz、100Hz、1kHz）。这里使用了Verilog HDL语言进行描述。
**代码示例：**
```verilog
library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;
entity fenpinqi is
Port (clk : in STD_LOGIC;
clkout1 : out STD_LOGIC;
clkout10 : out STD_LOGIC;
clkout100 : out STD_LOGIC;
clkout1K : out STD_LOGIC);
end fenpinqi;
architecture Behavioral of fenpinqi is
signal cnt1 : integer range 1 to 24000000;
signal cnt10 : integer range 1 to 2400000;
signal cnt100 : integer range 1 to 240000;
signal cnt1K : integer range 1 to 24000;
signal c1 : STD_LOGIC;
signal c2 : STD_LOGIC;
signal c3 : STD_LOGIC;
signal c4 : STD_LOGIC;
begin
process (clk) is
begin
if clk'event and clk = '1' then
if cnt1 < 24000000 then
cnt1 <= cnt1 + 1;
elsif cnt1 = 24000000 then
c1 <= not c1;
cnt1 <= 1;
end if;
if cnt10 < 2400000 then
cnt10 <= cnt10 + 1;
elsif cnt10 = 2400000 then
c2 <= not c2;
cnt10 <= 1;
end if;
if cnt100 < 240000 then
cnt100 <= cnt100 + 1;
elsif cnt100 = 240000 then
c3 <= not c3;
cnt100 <= 1;
end if;
if cnt1K < 24000 then
cnt1K <= cnt1K + 1;
elsif cnt1K = 24000 then
c4 <= not c4;
cnt1K <= 1;
end if;
end if;
end process;
clkout1 <= c1;
clkout10 <= c2;
clkout100 <= c3;
clkout1K <= c4;
end Behavioral;
```
**总结：**
以上是基于FPGA的数字频率计设计中的关键组成部分。通过对各个模块的设计和优化，可以确保频率计具有较高的精度和稳定性，适用于多种应用场景。在实际开发过程中，还需要根据具体需求进一步调试和完善各模块的性能。
