数字频率计的设计-- 基于 HDL 方法
目录
数字频率计的设计
1.计数、锁存与显示译码电路设计
2.主控电路设计
3.分频电路设计
4.顶层电路设计
伪随机序列发生器 的设计
数字频率计的设计
基于HDL设计数字系统时，可以根据需要应用Verilog HDL描述所需要的功能电路，既有利于节约资源，同时又有利于提高系统的性能和可靠性。
本节仍以设计能够测量1Hz~100MHz信号频率的数字频率计为目标，讲述基于Verilog HDL的设计方法。频率计应用8位数码管显示频率值，要求测量误差不大于±1Hz。
1.计数、锁存与显示译码电路设计
描述只具有异步清零、计数允许控制和进位链接功能的同步十进制计数器的Verilog代码参考如下：
module HC160s(clk,rd_n,ep,et,q,co); input clk;input rd_n,ep,et;output reg [3:0] q;output wire co;// 进位逻辑assign co = (( q == 4'b1001 ) & et ); // 计数过程always @( posedge clk or negedge rd_n ) if ( !rd_n ) q <= 4'b0000;else if ( ep & et )if ( q == 4'b1001 ) q <= 4'b0000; else q <= q + 1'b1; endmodule
为了节约FPGA资源，可以简化掉CD4511的灯测试和灭灯功能，只保留锁存功能，同时将显示译码器的输出设计为低电平有效以适应驱动DE2-115开发板上共阳数码管的需要。
2.主控电路设计
主控电路用于产生周期性的清零信号、闸门信号和显示刷新信号。基于HDL设计时，可以根据功能要求直接描述主控电路。
module freqer_ctrl ( clk, clr_n, cnten, dispen_n );input clk; // 8Hzoutput reg clr_n; // 计数器清零信号output reg cnten; // 闸门信号output reg dispen_n; // 显示刷新信号,低电平有效// 计数器状态变量定义reg [3:0] q; // 10进制计数逻辑always @( posedge clk ) if (q >= 4'b1001) q <= 4'b0000;elseq <= q +1'b1;// 译码输出always @( q ) case ( q ) 4'b0000 : begin clr_n = 0; cnten = 0; dispen_n = 1; end4'b0001 : begin clr_n = 1; cnten = 1; dispen_n = 1; end4'b0010 : begin clr_n = 1; cnten = 1; dispen_n = 1; end4'b0011 : begin clr_n = 1; cnten = 1; dispen_n = 1; end4'b0100 : begin clr_n = 1; cnten = 1; dispen_n = 1; end4'b0101 : begin clr_n = 1; cnten = 1; dispen_n = 1; end4'b0110 : begin clr_n = 1; cnten = 1; dispen_n = 1; end4'b0111 : begin clr_n = 1; cnten = 1; dispen_n = 1; end4'b1000 : begin clr_n = 1; cnten = 1; dispen_n = 1; end4'b1001 : begin clr_n = 1; cnten = 0; dispen_n = 0; enddefault: begin clr_n = 1; cnten = 0; dispen_n = 1; endendcaseendmodule
3.分频电路设计
将DE2-115开发板所用的50MHz晶振分频为8Hz，需要用分频系数为（50×106/8=）6250000的分频器。应用偶分频器实现。
4.顶层电路设计
频率计顶层电路既可以应用原理图进行设计，也可以应用Verilog HDL进行例化描述。
伪随机序列发生器 的设计
在数字系统中，伪随机序列（pseudo-random sequence）是指具有随机统计特性，重复产生的确定性二值序列。伪随机序列在雷达、数字通信、信息安全以及通信系统性能测试等领域有着广泛的应用。
伪随机序列通常由移位寄存器附加反馈网络产生，可分为线性反馈移位寄存器( Linear Feedback Shift Register，简称LFSR )和非线性反馈移位寄存器两大类。由LFSR产生的最大长度二值序列称为m序列。n级LFSR产生的m序列长度为 2n-1，是除全0状态之外的所有状态。m序列因其理论成熟，实现简单，因而获得了广泛的应用。
如果n级LFSR序列的特征多项式f(x)满足以下三个条件：(1) f(x)是既约的,即f(x)不能再分解为多项式；(2 )f(x)可整除xm+1,其中m=2n-1；(3) f(x)除不尽xq+1，其中q<m，则f(x)为本原多项式。
对于7级LFSR序列：取反馈系数c1和c7同时为1，或者c3和c7为同时1时，可以产生127位的m序列；对于12级LFSR：取反馈系数c1、c4、c5和c12同时为1时，可以产生4095位的m序列。
// 定义循环变量integer i,j;// 时序逻辑过程，生成m序列输出位always @( posedge clk or negedge rst_n ) if ( !rst_n ) beginmCode_reg <= LFSR_INIT_STATE;mCode_bit <= 1'b0;endelse beginmCode_reg[1] <= polydat;for ( i=1; i <= mCode_LFSR_LEN-1; i = i+1 )mCode_reg[i+1] <= mCode_reg[i];mCode_bit <= mCode_reg[mCode_LFSR_LEN];end// 组合过程，根据特征多项式确定反馈值always @ * for ( j = mCode_LFSR_LEN; j >= 1; j = j-1 ) if ( j == mCode_LFSR_LEN )polydat = mCode_reg[j];else if ( polynomial[j] )polydat = polydat ^ mCode_reg[j]; // m序列输出assign mCode_out = mCode_bit;
endmodule
要求m序列的数据率为10~100kbps、按10kbps步进可调时，可应用分频器，通过切换分频器的分频系数，或者应用DDS实现。
