基于FPGA的分頻器設(shè)計

數(shù)電基礎(chǔ)

板載晶振提供的時鐘信號頻率是固定的，不一定滿足需求，因此需要對基準(zhǔn)時鐘進行分頻。要得到更慢的時鐘頻率可以 分頻 ，要得到更快的時鐘頻率可以 倍頻 。我們有兩種方式可以改變頻率，一種是 鎖相環(huán) （PLL，后面章節(jié)會講解），另一種是用 Verilog代碼描述。

用Verilog代碼描述的往往是分頻電路，即 分頻器 。分頻就是輸出信號的頻率是輸入信號的1/n。原理是，輸入信號為計數(shù)脈沖，每n個脈沖輸出就翻轉(zhuǎn)一次。就可以看作是對輸入信號的“分頻”。十進制的計數(shù)器對應(yīng)十分頻，如果是二進制的計數(shù)器那就是二分頻，還有四進制、八進制、十六進制等等以此類推。

設(shè)計規(guī)劃

實現(xiàn)6分頻，第一種方法是僅實現(xiàn)分頻，第二種方法是降頻：

時鐘信號周期為1格，輸出信號周期為6格，因此頻率為原來的1/6，也就是6分頻。

方法一：只需要讓計數(shù)器從0計數(shù)到2，就讓clk_out輸出信號取反。

方法二：方法一得到的新時鐘信號和真正的時鐘信號有區(qū)別，在高速系統(tǒng)中 不穩(wěn)定 。因為在FPGA中凡是時鐘信號都要連接到全局時鐘網(wǎng)絡(luò)上，它能夠使時鐘信號到達每個寄存器的時間都盡可能相同，以保證更低的時鐘偏斜（Skew）和抖動（Jitter）。用分頻的方式產(chǎn)生的clk_out信號并沒有連接到全局時鐘網(wǎng)絡(luò)上，但sys_clk則是由外部晶振直接通過管腳連接到了FPGA的專用時鐘管腳上，自然就會連接到全局時鐘網(wǎng)絡(luò)上。因此我們可以產(chǎn)生一個clk_flag標(biāo)志信號，從0計數(shù)到5，就變高電平，下一個時鐘電平變?yōu)榈碗娖讲⒕S持5個時鐘間隔。和方法1對比，相當(dāng)于把clk_out的上升沿信號變成了clk_flag的脈沖電平信號。雖然需要多使用一些寄存器資源但是能使系統(tǒng)更加穩(wěn)定。

編寫代碼

module divider_six
(
input wire sys_clk , //系統(tǒng)時鐘50MHz
input wire sys_rst_n , 
output reg clk_out 
)
;


 reg [1:0] cnt; 
 always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
 if(sys_rst_n == 1'b0)
 cnt <= 2'b0;
 else if(cnt == 2'd2)
 cnt <= 2'b0;
 else
 cnt <= cnt + 1'b1;


 //clk_out:6分頻50%占空比輸出
 always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
 if(sys_rst_n == 1'b0)
 clk_out <= 1'b0;
 else if(cnt == 2'd2)
 clk_out <= ~clk_out;


 endmodule

我們觀察cnt和clk_out的變化條件：計數(shù)器發(fā)生改變的條件有兩個，一個是時鐘上升沿，一個是復(fù)位有效（復(fù)位下降沿）。計數(shù)器發(fā)生的改變有兩個，要么+1要么清零。清零條件有兩個：復(fù)位和溢出。因此第一個always塊中有三個判斷條件：復(fù)位和溢出時清零，其他的時候+1。

clk_out的變化條件：時鐘上升沿和復(fù)位有效（復(fù)位下降沿）。復(fù)位時clk_out為低電平，溢出時取反。

module divider_six
(
input wire sys_clk , //系統(tǒng)時鐘50MHz
input wire sys_rst_n , 
output reg clk_flag
);


 reg [2:0] cnt; 
 //cnt:計數(shù)器從0到5循環(huán)計數(shù)
 always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
 if(sys_rst_n == 1'b0)
 cnt <= 3'b0;
 else if(cnt == 3'd5)
 cnt <= 3'b0;
 else
 cnt <= cnt + 1'b1;


 //clk_flag:脈沖信號指示6分頻
 always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
 if(sys_rst_n == 1'b0)
 clk_flag <= 1'b0;
 else if(cnt == 3'd4)
 clk_flag <= 1'b1;
 else
 clk_flag <= 1'b0;


 endmodule

和方法1相似，區(qū)別在于輸出的變化不同，從0計數(shù)到4輸出變?yōu)?，否則為0。cnt溢出的條件是計數(shù)到5，輸出的變化是計數(shù)到4。

編寫testbench

`timescale 1ns/1ns
module tb_divider_six();
reg sys_clk;
reg sys_rst_n;
wire clk_out;


//初始化系統(tǒng)時鐘、全局復(fù)位
 initial begin
 sys_clk = 1'b1;
 sys_rst_n <= 1'b0;
 #20
 sys_rst_n <= 1'b1;
 end


 //sys_clk:模擬系統(tǒng)時鐘，每10ns電平翻轉(zhuǎn)一次，周期為20ns，頻率為50MHz
 always #10 sys_clk = ~sys_clk;
 //--------------------divider_sixht_inst--------------------
 divider_six divider_six_inst
 (
 .sys_clk (sys_clk ), //input sys_clk
 .sys_rst_n (sys_rst_n ), //input sys_rst_n
 .clk_out (clk_out ) //output clk_out
 );
 endmodule

兩種方法的testbench代碼一樣，除了輸出是clk_out還是clk_flag。

對比波形

如果波形沒有出來，可以在modelsim通過view的transcript查看錯誤。

方法1得到的波形

方法2得到的波形