频率周期测量与数码管显示 Verilog Quartus

名称：频率周期测量与数码管显示 Verilog Quartus

软件：Quartus

语言：Verilog

开发板/平台：Cyclone IV FPGA开发板

功能介绍

本工程实现一个基于 Verilog 的数字频率计与周期测量仪，输入被测方波信号后，可在频率测量和周期测量两种模式之间切换，并将结果转换为 BCD 数据显示在多位数码管上。顶层模块提供 50MHz 系统时钟、被测信号输入、两个低有效模式按键，以及 1kHz 基准和 74HC595 数码管驱动接口。\n\n频率测量采用默认 1 秒门控时间，计数分辨率为 1Hz；周期测量以默认 1us 时间刻度计算输入信号周期。工程将时基生成、门控控制、边沿计数、数据锁存、周期测量、显示选择和数码管扫描拆分为独立模块，便于阅读、仿真和参数修改。通过调整顶层参数，可以适配不同系统时钟或改变测量时序。

运行环境

开发环境为 Intel Quartus 工程，设计语言为 Verilog，顶层模块为 frequency，目标平台为 Cyclone IV FPGA 开发板。系统时钟默认 50MHz，数码管扫描时钟约 400Hz，1kHz 基准由分频参数生成。工程包含 frequency.qsf 管脚约束、Quartus 工程文件、ModelSim 仿真配置及可用于编译和下载的输出文件。

设计思路

设计以 50MHz 系统时钟为基础，先由 test_sig 产生约 400Hz 的数码管扫描时钟和 1kHz 基准信号。测频链路由 Frq_Ctrl 产生门控、锁存和复位时序，在默认 1 秒门控窗口内由 counter 对 signal_in 的边沿进行计数，再由 data_store 锁存结果。参数化的总周期、门控周期及锁存复位时刻便于根据时钟频率和测量需求调整。\n\n周期测量链路使用 period_meas 生成 1us 时间基准，对被测方波周期进行计量并输出 BCD 结果。key_mode 根据两个低有效按键选择频率或周期显示，disp_mux 完成两路 BCD 数据的切换。最后由 LED_DISP 完成位选、段选扫描，hc595_ctrl 将显示数据串行送入移位寄存器，减少顶层外部连线并适配数码管显示。

模块结构

顶层模块 frequency 负责连接各功能单元。test_sig 产生 400Hz 扫描时钟和 1kHz 基准；key_mode 处理测频与测周期按键模式；Frq_Ctrl 生成测频使能、锁存和复位时序；counter 对 signal_in 进行门控计数；data_store 锁存频率结果；period_meas 完成周期测量；disp_mux 选择当前显示的频率或周期 BCD 数据；LED_DISP 生成数码管位选和段选；hc595_ctrl 负责移位寄存器串行输出。工程同时包含 div_10 等辅助逻辑以及 testbench 仿真相关模块。

开发板验证

项目已在 Cyclone IV FPGA 开发板上完成验证，工程提供了 frequency.qsf 管脚约束与分配文件，并配套开发板实物图片。下载配置后，可将被测方波接入 signal_in，通过 key_freq_n 选择频率测量、通过 key_period_n 选择周期测量，结果经数码管接口输出。

演示视频

配套演示视频展示该频率检测工程的实际使用流程，便于结合工程源码观察测频、测周期模式切换及数码管显示接口的工作效果。

仿真图/仿真说明/设计文档图片

配套设计文档覆盖工程文件、程序编译、RTL 结构、管脚分配、仿真图、Testbench、顶层仿真图，以及分频/时基、按键模式切换、控制、计数、锁存、周期测量、显示选择和 74HC595 数码管驱动等模块说明，可用于对照源码理解信号连接和时序关系。

部分代码

以下展示顶层模块 frequency 的部分代码，完整源码请下载压缩包查看。

module frequency #(
	//test_sig 分频参数（默认 50MHz）
	parameter integer CLK400_HALF_DIV = 62500, //50MHz/(2*62500)=400Hz
	parameter integer TS1K_HALF_DIV   = 25000, //50MHz/(2*25000)=1kHz

	//测频门控参数（默认 1秒门控，分辨率 1Hz）
	parameter integer FRQ_TOTAL_CYCLES = 53000000,
	parameter integer FRQ_GATE_CYCLES  = 50000000,
	parameter integer FRQ_LAT_START    = 50000100,
	parameter integer FRQ_LAT_END      = 50000200,
	parameter integer FRQ_RST_START    = 50000300,
	parameter integer FRQ_RST_END      = 50000400,

	//周期测量 us_tick 分频参数（默认 1us）
	parameter integer PERIOD_US_DIV_MAX = 49
)(
	input clk,         //系统时钟（默认 50MHz）
	input signal_in,   //被测方波信号
	input key_freq_n,  //按键1：测频，按下为低
	input key_period_n,//按键2：测周期，按下为低
	output ts_1K,      //1kHz基准信号输出
    output               stcp        ,   //数据存储器时钟
    output               shcp        ,   //移位寄存器时钟
    output               ds          ,   //串行数据输入
    output              oe              //使能信号，低有效
);

wire en;
wire rst;
wire lat;
wire clk_400Hz;
wire [31:0] number;
wire [31:0] freq_bcd;
wire [31:0] period_bcd;
wire mode_period;
wire [31:0] disp_bcd;

wire [5:0] LED_BIT;//数码管位选
wire [7:0] LED_SEG;//数码管段选	

//分频/时基模块：得到扫描时钟与 1kHz 基准信号
test_sig #(
	.CLK400_HALF_DIV(CLK400_HALF_DIV),
	.TS1K_HALF_DIV(TS1K_HALF_DIV)
) i_test_sig(
	. clk(clk),
	. clk_400Hz(clk_400Hz),
	. ts_1K(ts_1K)
);

//按键模式切换
key_mode i_key_mode(
. clk(clk),
. key_freq_n(key_freq_n),
. key_period_n(key_period_n),
. mode_period(mode_period)
);

//控制模块
Frq_Ctrl #(
	.TOTAL_CYCLES(FRQ_TOTAL_CYCLES),
	.GATE_CYCLES(FRQ_GATE_CYCLES),
	.LAT_START(FRQ_LAT_START),
	.LAT_END(FRQ_LAT_END),
	.RST_START(FRQ_RST_START),
	.RST_END(FRQ_RST_END)
) i_Frq_Ctrl(
	. clk(clk),
	. en(en),
	. rst(rst),
	. lat(lat)
);

//计数器
counter i_counter (
. signal_in(signal_in),//被测信号
. en(en),//使能
. rst(rst),//清零
. number(number)//计数值
);

//锁存器
data_store i_data_store(
. lat(lat),//锁存
. number(number),//计数值
. store_number(freq_bcd)//锁存值
);

//周期测量
period_meas #(
	.US_DIV_MAX(PERIOD_US_DIV_MAX)
) i_period_meas(
	. clk(clk),
	. signal_in(signal_in),
	. period_bcd(period_bcd)
);

//频率和周期选择器
disp_mux i_disp_mux(
. mode_period(mode_period),
. freq_bcd(freq_bcd),
. period_bcd(period_bcd),
. disp_bcd(disp_bcd)
);

//数码管控制
LED_DISP i_LED_DISP(
. clk(clk_400Hz),//约 400Hz
. store_number(disp_bcd),//锁存值
. LED_BIT(LED_BIT),
. LED_SEG(LED_SEG)
);

//hc595驱动显示数码管
////////////////////////////////////////////////////////////////////////
hc595_ctrl  i_hc595_ctrl
(
    .sys_clk     (clk),   //系统时钟，频率50MHz
    .sys_rst_n   (1'b1),   //复位信号，低有效
    .sel         (LED_BIT),   //数码管位选信号
// ... 以下代码略，完整源码请下载压缩包查看

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