数字电路基础—计数器

这个 3 位计数器的电路图相对之前我们学习的逻辑有点复杂，我们以 F1、F2、F3 代表 3 个 D 触发器，两个异或门 G1、G2 和 1 个与门 G3 来进行说明计数器是如何工作的。一般触发器是有复位信号（图中没有画出），在上电复位之后，电路上电的 Q0 Q1 Q2 初始状态是 000，下面我们来看下这三个 D 触发器此时的输入信号是什么。

我们先看 F1，F1 的输入信号 D，是由 Q0 反馈回来的，我们已知此时的 Q 是 0，那么`Q 就是 1，这个 1 反馈给 F1 输入信号 D，此时 F1 的输入信号就是 1。

下面我们再来看 F2，F2 的输入信号是 Q0 和 Q1 的值经过一个异或门之后得到的，我们已知此时的Q0 是 0，Q1 也是 0，那么这两个 0 经过异或门逻辑处理（异或门两个输入信号值相同输出 0，不同输出1）后就是 0 了，因此 F2 的输入信号也是 0。

再看 F3，F3 的输入信号是由 Q0 和 Q1 经过一个与门之后的输出值，与 Q2 的值相异或得到的，我们来看，Q0 和 Q1 都是 0，两个 0 相与，输出肯定还是 0，这个输出的 0，再与 Q2 的值相异或，根据异或门的规律，两个输入现在都是 0，那么异或门的输出也是 0，F3 的输入此时就是 0。

到这里，我们已经分析出了 F1、F2 和 F3 这三个触发器此时的输入值了，下面我们就可以根据 D触发器的逻辑规律知道下一刻电路的输出值了，现在我们给 CLK 端口一个上升沿，也就是 CLK 由 0 变为 1了，那么 3 个边沿 D 触发器将会同时触发，当 CLK 这个时钟信号的上升沿到来时，D 触发器的输入值将会被锁存，根据逻辑规律，下一刻 3 个 D 触发器的输出值就分别为 1，0，0。这里如果我们把 Q2 的值当做二进制数的最高位，把 Q0 的值当做二进制数的最低位，那么现在计数器所输出的值，就是二进制数 001，也就是十进制的 1。计数器接收到第一个时钟信号的上升沿后，计数器就输出二进制数 001，依次类推，如果第二个时钟信号的上升沿到来时，这个时候计数器将会输出二进制数 010，也就是十进制数 2，每当电路多到来一个时钟上升沿，计数器就会作加 1 运算。当电路计到第 8 个脉冲时，电路状态将由 111 又变为 000，完成一个循环周期，所以该电路也称为模 8 同步加法计数器。所谓同步就是指该电路中的四个边沿型 D 触发器共用一个时钟脉冲 CLK，当时钟上升沿到来时，它们能够同时触发。

讲到这里，大家应该已经了解了计数器的工作原理了，下面我们根据上面的分析，画出 3 位加法计数器的特性表，如下图所示。

由计数器真值表可以看出，每个时钟上升沿之后，计数器的值就加 1，当经过 8 个时钟周期之后，计数器计数从 111 溢出到 000，然后依次循环往复的计数。

2、实验任务

本节的实验任务是使用 Verilog 语言设计一个 3bit 的计数器电路。

3、程序设计

3.1、模块设计

本次实验是设计一个 3bit 的计数器，所以我们将模块名命名为 counter。因为是时序逻辑电路，所以输入肯定有时钟和复位，输出为一个 3bit 的计数器，模块框图如下图所示：

模块端口与功能描述如下表所示：

3.2、绘制波形图

根据计数器的电路图、真值表以及模块框图，我们可以知道每当一个周期的到来时，寄存器就会累加 1。由此绘制出计数器模块的波形图如下图所示：

由上图可知，cnt循环从0计数到7，每当计数器计数到最大值时，就会从零开始重新累加。

3.3、编写代码

根据上一小节的波形图，可以使用 Verilog 编写一个计数器（counter.v）代码，代码如下：

`timescale 1ns / 1ps // // Company: // Engineer: // // Create Date: 2023/06/19 15:53:23 // Design Name: // Module Name: counter // Project Name: // Target Devices: // Tool Versions: // Description: // // Dependencies: // // Revision: // Revision 0.01 - File Created // Additional Comments: // // //实验任务 //使用 Verilog 语言设计一个 3bit 的计数器电路。 module counter( input sys_clk, input sys_rst_n, output reg [2:0] cnt ); always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin if(!sys_rst_n) cnt <= 3'd0; else cnt <= cnt + 3'd1; end endmodule

程序中第 28 行定义了一个 3bit 的 cnt，当 cnt 计数到 3bit 的最大值之后进行清零，然后进行循环的累加操作。

3.4、仿真验证

3.4.1、编写 TB 文件

计数器模块的输入端口只有时钟和复位，因此计数器 TB 模块（tb_counter.v）只需要对时钟以及复位信号进行激励即可，仿真代码编写如下：

`timescale 1ns / 1ps //仿真单位/仿真精度 // // Company: // Engineer: // // Create Date: 2023/06/19 16:00:22 // Design Name: // Module Name: tb_counter // Project Name: // Target Devices: // Tool Versions: // Description: // // Dependencies: // // Revision: // Revision 0.01 - File Created // Additional Comments: // // module tb_counter(); //parameter define parameter T = 20; //50MHz系统时钟(一个周期是20ns：1/50MHz=0.02us=20ns) //parameter T = 5; //黑金FPGA-xc7a5tfgg484-2-时钟周期为5ns //200MHz系统时钟(一个周期是5ns：1/200MHz=0.005us=5ns) reg sys_clk; reg sys_rst_n; wire [2:0] cnt; initial begin sys_clk = 1'b1; sys_rst_n <= 1'b0; #201 sys_rst_n <= 1'b1; end always #(T/2) sys_clk <= ~sys_clk; counter counter_inst( .sys_clk (sys_clk ), .sys_rst_n (sys_rst_n ), .cnt (cnt ) ); endmodule

3.4.2、仿真验证

接下来打开 Modelsim 软件对代码进行仿真，在运行仿真 10us 后，仿真的波形如下图所示：

由上图可以看出，仿真波形与我们绘制的波形图是一致的，说明我们本次设计的3bit计数器代码是没有问题的。

4、本章总结

本章主要讲解了在后续学习和设计中最常使用的计数器，通过本章的例子，我们掌握了计数器的设计方法，希望大家能够通过后面章节的训练熟练掌握计数器的使用。

5、拓展训练

对现有例程稍作修改，设计一个 1 秒钟的计数器。这里提醒一下，我们板载的晶振是 50Mhz。我们计数的时钟就是 50MHz，换算成时间为[1/(50*10^6)Hz]s = 0.000_000_02s，也就是说 50MHz 频率的时钟一个周期的时间为 0.000_000_02s，那么 1 秒钟需要 50_000_000(1/0.000_000_02s)个脉冲周期，所以我们的计数器需要在 50MHz 的时钟下计 50_000_000 次。

（见： Vivado 下 LED 流水灯实验_OliverH-yishuihan的博客-CSDN博客中 “3.2、程序设计” ）

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