Verilog设计分频器（面试必看）

共同成长888 2021-11-13

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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

　　偶分频电路指的是分频系数为 2、4、6、8 ... 等偶数整数的分频电路，我们可以直接进行分频。
例如下面 divider.v 中，对输入时钟进行6分频，即假设clk 为 50MHz ，分频后的时钟频率为 (50/6) MHz。程序如下：

设计代码：

 1 //rtl
 2 module divider(
 3     clk,
 4     rst_n,
 5     clk_div
 6 );
 7     input clk;
 8     input rst_n;
 9     output clk_div;
10     reg clk_div;
11     
12     parameter NUM_DIV = 6;
13     reg    [3:0] cnt;
14     
15 always @(posedge clk or negedge rst_n)
16     if(!rst_n) begin
17         cnt     <= 4'd0;
18         clk_div    <= 1'b0;
19     end
20     else if(cnt < NUM_DIV / 2 - 1) begin
21         cnt     <= cnt + 1'b1;
22         clk_div    <= clk_div;
23     end
24     else begin
25         cnt     <= 4'd0;
26         clk_div    <= ~clk_div;
27     end
28  endmodule

仿真程序：

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可以看到，clk的上升沿，采样到cnt=2的时候，就翻转,采样到0和1的时候，保持。这样就可以做到一半高电平，一半低电平。

2、奇分频
　　由于奇分频需要保持分频后的时钟占空比为 50% ，所以不能像偶分频那样直接在分频系数的一半时使时钟信号翻转(高电平一半，低电平一半)。
　　　　在此我们需要利用输入时钟上升沿和下降沿来进行设计。

　　　　　接下来我们设计一个 5 分频的模块，设计思路如下：

　　　　　采用计数器 cnt1 进行计数，在时钟上升沿进行加 1 操作，计数器的值为 0、1 时，输出时钟信号 clk_div 为高电平；计数器的值为2、3、4 时，输出时钟信号 clk_div 为低电平，计数到 5 时清零，从头开始计数。我们可以得到占空比为 40% 的波形 clk_div1。

　　　　采用计数器 cnt2进行计数，在时钟下降沿进行加 1 操作，计数器的值为 0、1 时，输出时钟信号 clk_div 为高电平；计数器的值为2、3、4 时，输出时钟信号 clk_div 为低电平，计数到 5 时清零，从头开始计数。我们可以得到占空比为 40% 的波形 clk_div2。
　　　　 clk_div1 和clk_div2 的上升沿到来时间相差半个输入周期，所以将这两个信号进行或操作，即可得到占空比为 50% 的5分频时钟。程序如下：

设计代码：

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仿真代码：

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对其进行测试和验证（此仿真波形是三分频，占空比50%），即上述程序吧NUM_DIV改成3即可，得到如下波形：

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：

设计代码：

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仿真代码：

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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（2的14次方）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：28408=56818/2-1，计数到28408就清零，翻转，其余的计数期间，保持不变。

设计代码：

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