【软件篇】FPGA verilog 实现任意分频

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     分频器是指使输出信号频率为输入信号频率整数分之一的电子电路。在许多电子设备中如电子钟、频率合成器等，需要各种不同频率的信号协同工作，常用的方法是以稳定度高的晶体振荡器为主振源，通过变换得到所需要的各种频率成分，分频器是一种主要变换手段。早期的分频器多为正弦分频器，随着数字集成电路的发展，脉冲分频器（又称数字分频器）逐渐取代了正弦分频器。下面以Verilog HDL 语言为基础介绍占空比为50%的分频器。
1 偶分频
偶分频比较简单，假设为N分频，只需计数到N/2－1，然后时钟翻转、计数清零，如此循环就可以得到N（偶）分频。代码如下。
module fp_even(clk_out,clk_in,rst);
output clk_out;
input clk_in;
input rst;
reg [1:0] cnt;
reg clk_out;
parameter N=6;

always @ (posedge clk_in or negedge rst)
begin
if(!rst)
       begin
              cnt <= 0;
              clk_out <= 0;
       end
else begin
        if(cnt==N/2-1)
              begin clk_out <= !clk_out; cnt<=0; end
        else
              cnt <= cnt + 1;
        end
end
endmodule
可以通过改变参量N的值和计数变量cnt的位宽实现任意偶分频。
偶分频（N＝6）的RTL原理图：

偶分频（N＝6）的行为仿真结果：

2 奇分频
实现奇数（N）分频，分别用上升沿计数到（N-1)/2，再计数到N-1；用下降沿计数到（N-1)/2，再计数到N-1，得到两个波形，然后把它们相或即可得到N分频。代码如下：
module fp_odd(clk_out,clk_p,clk_n,clk_in,rst);
output clk_out;
output clk_p,clk_n;
input clk_in,rst;

reg [2:0] cnt_p,cnt_n;
reg clk_p,clk_n;
parameter N=5;

always @ (posedge clk_in or negedge rst)
begin
       if(!rst)     cnt_p <= 0;
       else  if(cnt_p==N-1)    cnt_p <=0;
                else cnt_p <= cnt_p + 1;
end

always @ (posedge clk_in or negedge rst)
begin
    if(!rst) clk_p <= 0;
    else if(cnt_p==(N-1)/2)
               clk_p <= !clk_p;
       else if(cnt_p==N-1)
               clk_p <= !clk_p;
end

always @ (negedge clk_in or negedge rst)
begin
       if(!rst)     cnt_n <= 0;
       else  if(cnt_n==N-1)    cnt_n <=0;
                else cnt_n <= cnt_n + 1;
end

always @ (negedge clk_in or negedge rst)
begin
    if(!rst) clk_n <= 0;
    else if(cnt_n==(N-1)/2)
               clk_n <= !clk_n;
       else if(cnt_n==N-1)
               clk_n <= !clk_n;
end

assign clk_out = clk_p | clk_n;
endmodule

RTL Schematic:


Simulate Behavioral Model:

同理，可以通过改变参量N的值和计数变量cnt_p和cnt_n的位宽实现任意奇分频。

3 任意占空比的任意分频
在verilog程序设计中，我们往往要对一个频率进行任意分频，而且占空比也有一定的要求这样的话，对于程序有一定的要求，现在在前面两个实验的基础上做一个简单的总结，实现对一个频率的任意占空比的任意分频。
比如： FPGA系统时钟是50M Hz，而我们要产生的频率是880Hz，那么，我们需要对系统时钟进行分频。很容易想到用计数的方式来分频：50000000/880 = 56818。显然这个数字不是2的整幂次方，那么我们可以设定一个参数，让它到56818的时候重新计数就可以实现了。程序如下：
module div(clk, clk_div);
input clk;
output clk_div;
reg [15:0] counter;
always @(posedge clk)
if(counter==56817) counter <= 0;
else counter <= counter+1;
assign clk_div = counter[15];
endmodule
分频的应用很广泛，一般的做法是先用高频时钟计数，然后使用计数器的某一位输出作为工作时钟进行其他的逻辑设计，上面的程序就是一个体现。
下面我们来算一下它的占空比：我们清楚地知道，这个输出波形在counter为0到32767的时候为低，在32768到56817的时候为高，占空比为40%多一些，如果我们需要占空比为50%，那么我们需要再设定一个参数，使它为56817的一半，使达到它的时候波形翻转，就可以实现结果了。程序如下：
module div(clk, clk_div);
input clk;
output clk_div;
reg [14:0] counter;
always @(posedge clk)
if(counter==28408) counter <= 0;
else counter <= counter+1;
reg clk_div;
always @(posedge clk)
       if(counter==28408) clk_div <= ~clk_div;
endmodule
继续让我们来看如何实现任意占空比，比如还是由50 M分频产生880Hz，而分频得到的信号的占空比为30%。

56818×30%=17045

module div(clk,reset,clk_div,counter);
input clk,reset;
output clk_div;
output [15:0] counter;
reg [15:0] counter;
reg clk_div;
always @(posedge clk)
if(!reset) counter <= 0;
else if(counter==56817) counter <= 0;
else counter <= counter+1;
always @(posedge clk)
if(!reset) clk_div <= 0;
else if(counter<17045) clk_div <= 1;
else clk_div <= 0;
endmodule
RTL级描述：

仿真结果：

4 小结
通过以上几个例子对比不难发现，借助计数器来实现任意点空比的任意分频的方法简单，且用verilog语言进行行为描述时，代码简洁、易懂、通用。通过以上的学习，对分频器有了比较深刻的认识，将在以后的学习中会有广泛的应用。

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再进一步可以研究下通用定时器的做法，设置总线接口和寄存器，实现多路可配置的时钟或PWM

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