基于FPGA的频率检测与LCD显示

配套FPGA开发板（含该设计的工程代码）：https://item.taobao.com/item.htm?spm=a1z10.1-c.w4004-4676525296.4.6e8950ed57YPhv&id=17848039135

基于FPGA的信号测频器说明文档

 

1. 设计要求

利用FPGA设计一个信号测频器，要求:

（1）测量脉冲信号；

（2）频率测量1-10MHz以及占空比10%-99% 精确到1%；

（3）将测出频率和占空比显示在LCD1602上；

1. 设计方案

FPGA设计主要分为三个大模块来设计：1.被测信号产生模块；2.被测信号检测模块；3.数字显示模块。设计框图如图 1所示。

图 1 基于FPGA的信号测频器设计框图

1. 被测信号产生模块

该模块主要是用来产生被测信号，可以在模块中设置被测信号的频率和占空比。采用的方法是对系统时钟进行计数分频产生被测信号。这部分也采用了一个PLL，输出一个100MHz的时钟作为检测模块的采样时钟。该部分涉及的模块：signal_gen模块和PLL模块。

1. 被测信号检测模块

该模块对被测信号进行检测的方法是等精度测频法：

（1）被测信号频率检测

检测被测信号的频率，通过在外部使能信号有效时（即一段时间内），计数系统时钟脉冲数Ns与被测信号脉冲数Nd，若系统时钟频率为Fs，被测信号频率为Fd，则有Fs/Ns=Fd/Nd 最后有Fd=(Fs/Ns)·Nd。

（2）被测信号占空比检测：

检测被测信号的占空比，利用系统时钟，在外部使能信号有效时（即一段时间内），计数被测信号的正脉宽数Np和负脉宽数Nn，则占空比ducy=Np/(Np+Nn)*100%。

该部分涉及的模块：signal_detect模块。

1. 数字显示模块

该模块主要分为两个部分：一个部分是把检测的频率码转换为十进制BCD码，采用这种方法虽然会提高运算时间，但却可以大大节省FPGA的资源（面积与速度的折衷）；另外一个部分是驱动LCD1602进行显示。这里给出二进制码转换为十进制BCD码的几个步骤（以8bit二进制码为例）：    1.将二进制码左移一位（或者乘2）；2.找到左移后的码所对应的个，十，百位；3.判断在个位，十位和百位的码是否大于等于5；4.继续重复以上三步直到移位8次后停止；5.如果是则该段码加3。该部分涉及的模块：BCD2to10模块和lcd1602模块。

最终在FPGA的RTL视图如图 2所示：

图 2 基于FPGA的信号测频器的RTL视图

1. 仿真测试

对设计进行Modelsim仿真测试，仿真采用一个近似于1MHz、占空比近似于50%的信号进行测试。在仿真中，我们可以发现经过检测之后的频率为980392Hz，占空比为49%。BCD转换模块分别每一位提取了出来，供LCD1602显示。如图 3所示。

图 3 Modelsim仿真测试

1. 板级实验

对设计进行板级实验，采用的FPGA是大西瓜的Logic3 FPGA开发套件。实验结果如图 4所示。在误差允许范围内，LCD1602可以准确把被测信号的频率及占空比显示出来。这里注意的是，由于为了检测到1Hz的信号，故设计中延长了LCD显示的刷新周期，所以在一开始LCD显示屏会有一个短时间的闪屏，最后才会稳定下来。

 

图 4 板级实验结果