數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)文檔(智能頻率計(jì)).doc

簡(jiǎn)易數(shù)字頻率計(jì)-數(shù) 字 系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì) 文 檔 姓名：王淑麗學(xué)號(hào)：08008103我在本課程中所選擇的課題是用Verilog HDL實(shí)現(xiàn)的簡(jiǎn)易數(shù)字頻率計(jì)。設(shè)計(jì)的頻率器可以實(shí)現(xiàn)在量程范圍內(nèi)根據(jù)被測(cè)信號(hào)大小自動(dòng)更換量程，并用數(shù)碼管顯示頻率值，用發(fā)光二級(jí)管顯示量程。此次設(shè)計(jì)的目的要求如下：（1）頻率測(cè)量范圍10Hz1MHz（2）量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換，量程分為10KHz (1s) 、100KHz (0.1s) 、1MHz (10ms)三檔。轉(zhuǎn)換規(guī)則如下：當(dāng)讀數(shù)大于9999時(shí)，頻率計(jì)處于超量程狀態(tài)，下一次測(cè)量時(shí)，量程自動(dòng)增大一檔；當(dāng)讀數(shù)小于0999時(shí)，頻率計(jì)處于欠量程狀態(tài)，下一次測(cè)量時(shí)，量程自動(dòng)減小一檔（3）數(shù)據(jù)采用記憶顯示方式，即計(jì)數(shù)過程中不顯示數(shù)據(jù)，待計(jì)數(shù)過程結(jié)束以后，顯示計(jì)數(shù)結(jié)果，并將此顯示結(jié)果保持到下一次計(jì)數(shù)結(jié)束。（4）用發(fā)光二極管顯示量程。系統(tǒng)模型及實(shí)際測(cè)試情況設(shè)計(jì)的頻率計(jì)包括三個(gè)量程指示燈，四位數(shù)碼管顯示，復(fù)位鍵，外接信號(hào)接線孔，GND接線孔。其界面如下圖：系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果：復(fù)位鍵播向0，系統(tǒng)不工作，三個(gè)量程顯示燈均不亮，四位數(shù)碼管顯示為0000；復(fù)位鍵播向1，系統(tǒng)進(jìn)入正常工作狀態(tài)，開始以下測(cè)量：當(dāng)輸入信號(hào)為6.34KHZ時(shí)，紅色指示燈亮起，數(shù)碼管顯示：6.340。當(dāng)輸入信號(hào)為29.352KHZ時(shí)，綠色指示燈亮起，數(shù)碼管顯示：29.35當(dāng)輸入信號(hào)為273.9KHZ時(shí)，黃色指示燈亮起，數(shù)碼管顯示：273.9系統(tǒng)原理及設(shè)計(jì)流程根據(jù)設(shè)計(jì)要求可以很容易得出程序的流程圖如下：清零顯示計(jì)數(shù)鎖存溢出/欠量程更換量程否是由流程圖便可以設(shè)計(jì)系統(tǒng)了，本系統(tǒng)可根據(jù)功能分為五個(gè)功能模塊。分別為：分頻器，計(jì)數(shù)器，控制器，鎖存器，顯示模塊。用Verilog HDL編程時(shí)也是根據(jù)各個(gè)模塊的功能要求，分別編寫每一個(gè)子模塊的程序，然后把每個(gè)模塊封裝起開。最終的系統(tǒng)就用這五個(gè)模塊連接起來即可。每個(gè)模塊的作用說明如下：分頻器：此模塊的輸入信號(hào)為來自控制器的量程選擇信號(hào)、機(jī)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘（2MHZ），復(fù)位信號(hào)。輸出信號(hào)為門限信號(hào)，供給計(jì)數(shù)器作為計(jì)數(shù)技術(shù)時(shí)間。計(jì)數(shù)器： 計(jì)數(shù)器以被測(cè)信號(hào)上升沿為觸發(fā)事件，在門限信號(hào)內(nèi)部計(jì)數(shù)器累計(jì)加1，門限結(jié)束根據(jù)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值判斷量程是否合適，并將判斷結(jié)果以標(biāo)志位的形式發(fā)送給控制器，同時(shí)將計(jì)數(shù)結(jié)果輸出給鎖存器。如果控制器發(fā)出清零信號(hào)，將立刻清除標(biāo)記位?？刂破鳎?作為系統(tǒng)核心的控制器，它以被測(cè)信號(hào)上升沿為觸發(fā)事件，不斷的檢測(cè)計(jì)數(shù)器發(fā)出的標(biāo)志位（表征判斷量程是否合適）。如果量程合適，發(fā)出鎖存信號(hào)給鎖存器；如果量程偏大或偏小，則根據(jù)具體情況重置輸出量程選擇信號(hào)，并發(fā)出清零信號(hào)給計(jì)數(shù)器。鎖存器： 鎖存器以鎖存信號(hào)上升沿為觸發(fā)事件，每響應(yīng)一次就將輸入端的計(jì)數(shù)值與量程選擇輸出給顯示電路。顯示電路：顯示電路以被測(cè)信號(hào)上升沿為響應(yīng)事件，每響應(yīng)一次就根據(jù)所選量程控制相應(yīng)的指示燈亮起。并根據(jù)計(jì)數(shù)值的不同控制四位數(shù)碼管顯示出計(jì)數(shù)值即可。以上五個(gè)模塊的具體連接情況如下圖：控制器分頻器計(jì)數(shù)器鎖存器顯示電路機(jī)內(nèi)時(shí)鐘被測(cè)信號(hào)量程是否合適鎖存信號(hào)換量程清零程序代碼如下：（1） 分頻模塊：module newclk(clk,rst,k1,k2,outclk);input clk,k1,k2,rst;output outclk;reg outclk;reg 20:0cnt;reg1:0state;always (posedge clk)beginif(!rst) begin cnt=0; outclk=0; endelsecnt=cnt+1;if(state!=k1,k2)/判斷量程是否改變beginif(outclk=0)beginoutclk=outclk;cnt=0;endelse ;endelse ;if(k1,k2=0)/低量程計(jì)時(shí)1sbeginif(cnt=1999999)/999999begincnt=0;outclk=outclk;endelse ;endelse if(k1,k2=1) /中間量程計(jì)時(shí)0.1sbeginif(cnt=199999)/99999begincnt=0;outclk=outclk;endelse ;endelse if(k1,k2=2) /高量程計(jì)時(shí)10msbeginif(cnt=19999)/9999begincnt=0;outclk=outclk;endelse ;endelse outclk=0;state9999；low表示計(jì)數(shù)是否=999output 3:0cout0,cout1,cout2,cout3;reg high,low,cout0,cout1,cout2,cout3;reg 14:0counter;reg qdoor;always (posedge fx)beginif(reset=1)/beginif(clr=0)/不清零begincase(qdoor,door)/尋找門限2b00: ;2b01: counter=1;/門限開始2b10: begin /門限結(jié)束if(counter9999) high=1;else high=0;endcout0=counter/1000;cout1=(counter/100)%10;cout2=(counter/10)%10;cout3=counter%10; enddefault:counter=counter+1;/門限內(nèi)部計(jì)數(shù)endcaseendelse /清零信號(hào)作用beginhigh=1;low=0;counter=2;endendelse /復(fù)位信號(hào)作用beginhigh=1;low=0;counter=0;endqdoor=door;endendmodule（3）控制器模塊module control(s1,s2,show,high,low,clk,reset,clr);input high,low,clk,reset; output s1,s2,show,clr; /s1,s2是量程選擇信號(hào)，show為鎖存信號(hào)，clr是清零信號(hào)；reg s1,s2,show,clr,temp1;reg 1:0temp;always (posedge clk)beginif(reset=1)begincase(temp) /使清零信號(hào)保持2個(gè)時(shí)鐘周期，以便計(jì)數(shù)器響應(yīng)2b01:beginclr=clr;temp=temp-1;end2b10:temp=temp-1;default ;endcaseif(temp1=1)beginshow=show;temp1=0;endelse ;case(high,low)2b00:beginif(s1,s20) s1,s2=s1,s2-1;else ;clr=clr;temp=2;end2b01:beginshow=show;temp1=1;end2b11:beginif(s1,s22)s1,s2=s1,s2+1;else;clr=clr;temp=2;enddefault;endcaseendelsebegins1=0;s2=1;show=0;clr=0;endendendmodule（4）鎖存器模塊module lock(reset,show,cin0,cin1,cin2,cin3,s1,s2,cout0,cout1,cout2,cout3,k1,k2);input reset,show,s1,s2;input 3:0cin0,cin1,cin2,cin3;output 3:0cout0,cout1,cout2,cout3;output k1,k2;reg cout0,cout1,cout2,cout3,k1,k2;always (posedge show)beginif(reset!=0)cout0,cout1,cout2,cout3,k1,k2=cin0,cin1,cin2,cin3,s1,s2;elsecout0,cout1,cout2,cout3,k1,k2=3; /無效endendmodule（5）顯示電路module show(clk,reset,cin0,cin1,cin2,cin3,k1,k2,cout0,cout1,cout2,cout3,s1,s2,s3,point);input 3:0 cin0,cin1,cin2,cin3;input clk,reset,k1,k2;output6:0 cout0,cout1,cout2,cout3; /七段數(shù)碼管顯示output 3:0 point; /四位小數(shù)點(diǎn)output s1,s2,s3; /量程指示燈reg cout0,cout1,cout2,cout3,s1,s2,s3,point;always (posedge clk)beginif(reset!=0)begincase(cin0)4b0000:cout0= 7b0000001;4b0001:cout0= 7b1001111;4b0010:cout0= 7b0010010;4b0011:cout0= 7b0000110;4b0100:cout0= 7b1001100;4b0101:cout0= 7b0100100;4b0110:cout0= 7b0100000;4b0111:cout0= 7b0001111;4b1000:cout0= 7b0000000;4b1001:cout0= 7b0000100;default:;endcasecase(cin1)4b0000:cout1= 7b0000001;4b0001:cout1= 7b1001111;4b0010:cout1= 7b0010010;4b0011:cout1= 7b0000110;4b0100:cout1= 7b1001100;4b0101:cout1= 7b0100100;4b0110:cout1= 7b0100000;4b0111:cout1= 7b0001111;4b1000:cout1= 7b0000000;4b1001:cout1= 7b0000100;default:;endcasecase(cin2)4b0000:cout2= 7b0000001;4b0001:cout2= 7b1001111;4b0010:cout2= 7b0010010;4b0011:cout2= 7b0000110;4b0100:cout2= 7b1001100;4b0101:cout2= 7b0100100;4b0110:cout2= 7b0100000;4b0111:cout2= 7b0001111;4b1000:cout2= 7b0000000;4b1001:cout2= 7b0000100;default:;endcasecase(cin3)4b0000:cout3= 7b0000001;4b0001:cout3= 7b1001111;4b0010:cout3= 7b0010010;4b0011:cout3= 7b0000110;4b0100:cout3= 7b1001100;4b0101:cout3= 7b0100100;4b0110:cout3= 7b0100000;4b0111:cout3= 7b0001111;4b1000:cout3= 7b0000000;4b1001:cout3= 7b0000100;default:;endcasecase(k1,k2)2b00:begins3=0;s2=0;s1=1;point3=0;point2=1;point1=1;point0=1;end2b01:begins2=1;s1=0;s3=0;point3=1;point2=0;point1=1;point0=1;end2b10:begins3=1; s2=0; s1=0;point3=1;point2=1;point1=0;point0=1;enddefault: ;endcaseendelsebegin cout0,cout1,cout2,cout3=28b0000001000000100000010000001;s1=0; s2=0;s3=0;point3=1;point2=1;point1=1;point0=1;endendendmodule最終設(shè)計(jì)的頂層文件（gdf格式）如下： 仿真結(jié)果：（1） 當(dāng)測(cè)量信號(hào)頻率在高量程時(shí)，仿真時(shí)序圖如下：從圖中可以看出四個(gè)小數(shù)點(diǎn)的變化總是隨著量程的變化而變化。分頻器輸出的門信號(hào)最初為200ns，計(jì)數(shù)器在200ns內(nèi)計(jì)數(shù)值超過9999，于是控制器發(fā)出清零信號(hào)，同時(shí)更換量程，分頻器輸出20ns的門控信號(hào)，計(jì)數(shù)器重新計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)值符合要求，控制器發(fā)出鎖存信號(hào)，數(shù)碼管顯示計(jì)數(shù)值。三個(gè)LED燈顯示量程。（2） 當(dāng)測(cè)量信號(hào)頻率在中間量程時(shí)，仿真時(shí)序圖如下：從圖中可以看出四個(gè)小數(shù)點(diǎn)的變化總是隨著量程的變化而變化。分頻器輸出的門信號(hào)最初為200ns，計(jì)數(shù)器在200ns內(nèi)計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)值符合要求，控制器發(fā)出鎖存信號(hào)，數(shù)碼管顯示計(jì)數(shù)值。三個(gè)LED燈顯示量程（3） 當(dāng)測(cè)量信號(hào)頻率在低量程時(shí)的仿真時(shí)序圖如下：從圖中可以看出四個(gè)小數(shù)點(diǎn)的變化總是隨著量程的變化而變化。分頻器輸出的門信號(hào)最初為20ns，計(jì)數(shù)器在20ns內(nèi)計(jì)數(shù)值小于999，于是控制器發(fā)出清零信號(hào)，同時(shí)更換量程，分頻器輸出200ns的門控信號(hào)，計(jì)數(shù)器重新計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)值符合要求，控制器發(fā)出鎖存信號(hào)，數(shù)碼管顯示計(jì)數(shù)值。三個(gè)LED燈顯示量程。從以上仿真結(jié)果可以看出設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)更換量程，并且記憶顯示測(cè)量量結(jié)果。滿足設(shè)計(jì)要求。實(shí)驗(yàn)總結(jié)通過此次試驗(yàn)，我熟悉了數(shù)字電路的基本設(shè)計(jì)流程。同時(shí)也基本掌握了Verilog HDL語言及其開