基于Verilog的偶数、奇数、半整数分频以及任意分频器设计

在FPGA的学习过程中，最简单最基本的实验应该就是分频器了。由于FPGA的晶振频率都是固定值，只能产生固定频率的时序信号，但是实际工程中我们需要各种各样不同频率的信号，这时候就需要对晶振产生的频率进行分频。比如如果FPGA芯片晶振的频率为50MHz，而我们希望得到1MHz的方波信号，那么就需要对晶振产生的信号进行50分频。

分频器的设计虽然是FPGA学习过程中最简单的实验，但是真正想要把分频器的来龙去脉弄清楚，还是需要花费一番功夫的。下面先介绍一下最常见的几种分频器写法： 

1.偶数分频器

相信大多数朋友在学习FPGA过程中接触到的第一个实验应该就是偶数分频器了，偶数分频器的设计较为简单，用一个简单的计数器就可以实现。比如要实现一个N分频（N为偶数）的分频器，可以先写一个计数器，当计数到（N/2-1）时，让输出状态翻转，并将计数器清零，这样输出的信号就是输入时钟的N分频了。具体代码如下：

偶数分频器示例，20分频即N=20，占空比50%

module clk_div(clk_out, clk, rst_n);

input clk, rst_n;
output clk_out;

reg clk_out;
reg [4:0] cnt;

always @(posedge clk or negedge rst_n)
if(!rst_n)
    begin
    cnt <= 5'b0;
    clk_out <= 1'b0;
    end
else if(cnt == 4'd9)
    begin
    cnt <= 5'b0;
    clk_out <= ~clk_out;
    end
else cnt <= cnt + 1'b1;

endmodule

2.奇数分频器

奇数分频器的设计比偶数分频器复杂一些，特别是占空比为50%的奇数分频器。如果对占空比没有明确的要求，则可以直接对上升沿计数，计数到(N-1)/2 时让输出翻转，计数到(N-1)时让输出状态再次翻转，并将计数器清零，这样就可以得到一个占空比为2:3的N分频（N为奇数）的分频器。而如果要实现50%的占空比，可以通过“错位相或”的方法实现。具体方法是用刚才的方法先通过对上升沿计数产生一个占空比为不是50%的N分频器，再用同样的方法对下降沿计数产生一个占空比也不是50%的N分频器，最后将这两个分频器的输出进行“或”运算，就可以得到占空比为50%的奇数N分频器，具体实现代码如下：

奇数分频器示例，5分频，占空比50%

module div_odd
(
    input clk,
    input rst_n,
    output clk_out
 );

//----------count the posedge---------------------
reg [2:0] cnt_p;
reg clk_p;

always @ (posedge clk or negedge rst_n)
if(!rst_n)
    cnt_p <= 3'd0;
else if(cnt_p == 3'd4)
    cnt_p <= 3'd0;
else
    cnt_p <= cnt_p + 1'b1;

always @ (posedge clk or negedge rst_n)
if(!rst_n)
    clk_p <= 1'b0;
else if((cnt_p == 3'd2) || (cnt_p == 3'd4))
    clk_p <= ~ clk_p;
//---------------------------------------------

//----------count the negedge------------------
reg [2:0] cnt_n;
reg clk_n;

always @ (negedge clk or negedge rst_n)
if(!rst_n)
    cnt_n <= 3'd0;
else if(cnt_n == 3'd4)
    cnt_n <= 3'd0;
else
    cnt_n <= cnt_n + 1'b1;

always @ (negedge clk or negedge rst_n)
if(!rst_n)
    clk_n <= 1'b0;
else if((cnt_n == 3'd2) || (cnt_n == 3'd4))
    clk_n <= ~clk_n;
//----------------------------------------------

assign clk_out = clk_p | clk_n;

endmodule

here is the old version :

module div_odd(clk_out, clk, rst_n);

input clk, rst_n;
oput clk_out;

reg clk_p, clk_n;
reg [4:0] cnt1, cnt2;  //注意根据实际需要调整位宽

parameter N = 5;  //此处N可以设为任意奇数

//用上升沿产生非50%占空比的分频信号clk_p
always @(posedge clk or negedge rst_n)
if(!rst_n)
    begin
    cnt1 <= 0;
    clk_p <= 0;
    end
else if(cnt1 == 5'b10)        //cnt_p == (N-1)/2，翻转
    begin
    cnt1 <= cnt1 + 1'b1;
    clk_p <= ~clk_p;
    end
else if(cnt1 == 5'b100)        //cnt_p == N-1，翻转
    begin
    cnt1 <= 1'b0;
    clk_p <= ~clk_p;
    end
else cnt1 <= cnt1 +1'b1;

//用下降沿产生非50%占空比的分频信号clk_n
always @(negedge clk or negedge rst_n)
if(!rst_n)
    begin
    cnt2 <= 0;
    clk_n <= 0;
    end
else if(cnt2 == 5'b10)        //cnt_n == (N-1)/2，翻转
    begin
    cnt2 <= cnt2 + 1'b1;
    clk_n <= ~clk_n;
    end
else if(cnt2 == 5'b100)        //cnt_n == N-1，翻转
    begin
    cnt2 <= 1'b0;
    clk_n <= ~clk_n;
    end
else cnt2 <= cnt2 +1'b1;

//相与运算，得到50%占空比的分频信号
assign clk_out = clk_p | clk_n;

endmodule

3.半分频器（N+0.5分频）

   在实际工程中，我们还经常会遇到半分频器。比如要得到2MHz的时钟信号，而系统晶振频率为25MHz，这时候就需要对系统时钟作12.5分频。那么这种半分频器又该如何实现呢？最直接的办法当然还是用计数器了，由于半整数分频无法实现50%的占空比（因为50%占空比就要求一个周期内高低电平都是6.25个系统时钟周期，这个0.25是不可能实现的），我们只能让占空比尽可能接近50%。以12.5分频为例，可以对系统时钟计数，在前6.5个周期输出低电平，后6个周期输出高电平，依次循环，就可以实现12.5分频，占空比为（6.5/12.5)，接近50%。在计数时涉及到0.5个周期，因此对上升沿和下降沿都要计数。具体代码如下：

半分频器，以12.5分频为例，占空比（6.5/12.5）

module clk_half(clk_out, clk1, clk, rst_n);

input clk,rst_n;
output clk_out,clk1;

parameter N = 13; //以12.5分频为例，N=13

wire clk1;
reg clk_out;
reg[4:0] cnt;
reg flag = 1'b0;

//系统时钟clk计数器
always @(negedge clk or negedge rst_n)
if(!rst_n) flag <= 1'b0;
else if(cnt == 5'd6) flag <= ~flag;

//在第五个时钟结束后立即将 clk1 状态翻转
assign clk1 = (flag)? ~clk:clk;

//时钟 clk1 计数器，模为N
always @(posedge clk1 or negedge rst_n)
if(!rst_n) cnt <= 5'b0;
else if(cnt == 5'd12) cnt <= 5'b0;
else cnt <= cnt + 1'b1;

//前6.5个周期为低电平，后6个周期为高电平，
//即为12.5分频
always @(posedge clk1 or negedge rst_n)
if(!rst_n) clk_out <= 1'b0;
else if(cnt == 5'd0) clk_out <= 1'b0;
else if(cnt == 5'd7) clk_out <= 1'b1;
else clk_out <= clk_out;

endmodule

网上还有许多其他大神写的半分频程序，比如：

http://www.cnblogs.com/yuzeren48/p/3965003.html

4.任意分频——基于相位累加原理

相位累加器主要用在直接数字频率合成器（DDS）中，其中的几个主要的参数为输入频率fc，输出频率fo，计数器位宽N，频率控制字K（即计数器递增步长）。它们之间的关系为：fo=(fc*K)/(2^N)。假设输入频率fc为50MHz，计数器位宽N为32，要产生1kHz的信号，则K=(fo*2^N)/fc=85.9*fo=85900。当计数值小于等于（（2^N)/2）时，输出低电平，当计数值大于（（2^N)/2)时，输出高电平，依次循环，就可以产生占空比为50%的1kHz信号了。据此可以设计如下程序：

任意分频示例，输出1kHz，占空比50%

/***************************************
晶振频率 fc = 50MHz
输出频率 fo = 1kHz（根据需要可以设为任意值）
控制参数 K  = (fo*2^N)/fc
参数 N = 2^32,(32为计数器的位宽)

****************************************/
module div_free(clk_out, clk, rst_n);

input clk, rst_n;
output clk_out;

reg clk_out;
reg [31:0] cnt;

always @(posedge clk or negedge rst_n)
if(!rst_n)
    cnt <= 0;
else cnt <= cnt + 32'd85900;  //计数器步长 K

always @(posedge clk or negedge rst_n)
if(!rst_n)
    begin
    clk_out <= 1'b0;
    end
else if(cnt < 32'h7FFF_FFFF)
    clk_out <= 1'b0;
else clk_out <= 1'b1;

endmodule