本实验设计一个可变频率和可变占空比的方波,要求可以通过控制按键和开关来改变方波的频率和占空比,开关控制要求表7-1如所示。
表7 1 脉冲发生器开关控制要求
SW3 SW2 SW1 | 频率 |
000 | 2分频,50/2 MHz |
001 | 4分频,50/4MHz |
010 | 8分频,50/8 MHz |
011 | 16分频,50/16MHz |
100 | 32分频,50/32 MHz |
101 | 64分频,50/64MHz |
SW7 | SW6 | 占空比 |
0 | 0 | 1:2 |
0 | 1 | 1:4 |
1 | 0 | 1:8 |
1 | 1 | 3:8 |
首先介绍占空比的概念,占空比指在一串理想的脉冲序列中,正脉冲的持续时间与脉冲总周期的比值。在图72所示的波形中,占空比等于t/T。例如,脉冲宽度10μs,信号周期40μs的脉冲序列占空比为0.25。
图7-2 占空比的定义
方波一般通过对一个高频的脉冲信号进行分频来生成。分频比指方波的周期和高频信号周期之间的比例关系,通过控制分频比来实现不同频率的方波。例如,开发系统上的时钟是50MHz,如果要生成10MHz的方波,则分频比为5。根据输入时钟及要输出的方波的频率计算出分频比,通过计数器的值来控制输出方波的频率。对于一定频率的方波,通过另一个计数器来控制占空比。例如,时钟是50MHz,要求生成一频率为10MHz,占空比为1/5的方波,那么分频比为5,方波的周期为5个时钟周期,正脉冲的持续时间为1个时钟周期(图7-3)。
图7-3 频率为10MHz,占空比为1/5的方波
输入输出信号 程序有4个输入信号和1个输出信号:
input clk,reset; //时钟和复位信号,时钟为50MHz。 input [4:0]I1; //SW5、SW4、SW3、SW2和SW1输入,用于控制分频比。 input [2:0]I2; //SW8、SW7和SW6输入,用于控制占空比。 output clkout; //方波输出。
主要寄存器
Division:分频比。根据SW5到SW1来决定分频比: always @* begin case(I1) 5'b00001: division = 6'd4; // 1/4分频 5'b00010: division = 6'd8; // 1/8分频 5'b00011: division = 6'd16; // 1/16分频 5'b00100: division = 6'd32; // 1/32分频 5'b00101: division = 6'd64; // 1/64分频 default: division = 6'd2; // 1/2分频 endcase end
pulse: 正脉冲的时钟周期数,根据占空比决定正脉冲时钟周期数: 正脉冲时钟周期数 = 分频比 * 占空比
always @* begin case( I2 ) 3'b001: pulse = division/4; // 占空比: 1/4 3'b010: pulse = division/8; // 占空比:1/8 3'b011: pulse = division*3/8; // 占空比:3/8 default: pulse = division/2; // 占空比:1/2 endcase end
3)方波生成
always @ (posedge clk or negedge reset) begin if( !reset ) begin // 复位 count <= 0; clkout <= 0; end else begin // counter决定了方波的周期。 if( count == division - 1 ) count <= 0; else count <= count + 1; if( count == 0 ) clkout <= 1; // 当counter为0时,输出信号为1。 else if ( count >= pulse ) clkout <= 0; // 当counter大于正脉冲时周期数时,输出信号为0。 end end
从上述代码可以看出,正脉冲的宽度至少为一个时钟周期。如果分频比为2,占空比为1/4,则正脉冲时钟周期为2×1/4=1/2,非整数时钟周期脉冲宽度是无法实现,所以正脉冲时钟周期数为1。
用Modelsim对程序进行仿真,仿真文件为testpulse.v。图 74为仿真结果,Squwave为输出方波。I=000时,占空比为1/2;dvd=00000时,分频比为2;dvd=00001时,分频比为4。
图 7-4 方波发生器仿真结果
把程序下载到开发系统上,用SignalTap逻辑分析仪观察输出的波形。I1和I2分别控制分频比和占空比,Clkout为方波输出。图75为当分频比为16、占空比为1/4是的方波输出结果。
图7-5 分频比为16,占空比为1/4时的方波输出
图7-6 分频比为16,占空比为1/4时的方波输出
文件名 | 功能 |
PulseGen.v | 主程序 |
TestPulse.v | Modelsim仿真程序 |
PulseSim.mpf | ModelSim仿真工程 |
演示设备:核心网、扩展板。 演示方法:把程序下载到开发系统上后,由扩展板的{SW3,SW2,SW1}控制分频比,{SW7,SW6}控制占空比,通过SignalTap观测输出。核心板上的reset键为复位键。