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【《硬體架構的藝術》讀書筆記】04 時鐘分頻器

2022-12-12 07:23:46 其他

4.1 介紹

偶數時鐘分頻很好實作,使用一個計數器累加到一定值再清零,同時翻轉電平就可以了,本章主要講的是奇數分頻和小數分頻,

4.2 同步整數分頻器

使用Moore狀態機可以輕松的實作同步整數分頻,需要幾分頻就有幾種狀態,但是如果是奇數分頻,那么輸出就不可能為50%占空比,

 

 如圖使用了一個七個狀態的Moore狀態機實作了7分頻,其中4個狀態輸出為0,3個狀態輸出為1,顯然占空比不為50%

4.3 具有50%占空比的奇數整數分頻

1、以期望輸出頻率的一半產生兩個正交相位時鐘(90°相位差),

2、將兩個波形異或得到輸出頻率,

對于整奇數N分頻:

1、創建一個計數到N-1的計數器,

2、使用兩個T觸發器,并且第一個觸發器當計數到0使能,第二個觸發器計數到(N+1)/2使能,

3、TFF1由上升沿觸發,TFF2由下降沿觸發,兩個觸發器的輸出都是2N分頻的時鐘,

4、異或得到最終輸出,

 

 

 

`timescale 1ns / 1ps


module div3(
    input clk_in,
    input rst_n,
    output clk_out
    );

    reg [3:0]count;
    reg div1,div2;

    always @(posedge clk_in or negedge rst_n) begin
        if(~rst_n)
            count <= 'd0;
        else begin
            count <= (count<2)?(count + 1'b1):'d0;
        end
    end

    always @(posedge clk_in or negedge rst_n) begin
        if(~rst_n)
            div1 <= 1'b0;
        else if(count == 0)
            div1 <= ~div1;
    end

    always @(negedge clk_in or negedge rst_n) begin
        if(~rst_n)
            div2 <= 1'b0;
        else if(count == 2)
            div2 <= ~div2;
    end

    assign clk_out = div1 ^ div2;

endmodule

testbench

`timescale 1ns / 1ps


module tb_div3();
reg clk_in;
reg rst_n;
wire clk_out;

initial begin
    clk_in = 0;
    rst_n = 0;
    #100
    rst_n = 1;
end

always #10 clk_in = ~clk_in;

 div3 u0(
    .clk_in(clk_in),
    .rst_n(rst_n),
    .clk_out(clk_out)
    );

endmodule

仿真波形

 

4.4 非整數分頻(非50%占空比)

4.4.1 具有非50%占空比的1.5倍分頻

 

 

`timescale 1ns / 1ps
module div1_5(
    input clk_in,
    input rst_n,
    output reg clk_out
);
wire clk_div3;
wire clk_mux;
assign clk_mux = clk_div3 ? clk_in : ~clk_in;

always @(posedge clk_mux or negedge rst_n) begin
    if(~rst_n)
        clk_out <= 1'b0;
    else
        clk_out <= ~clk_out;
end

div3 u0(
    .clk_in(clk_in),
    .rst_n(rst_n),
    .clk_out(clk_div3)
    );

endmodule

仿真波形

 該電路綜合可能出現問題,因為多路器的兩個輸入端延時并不相等,可能輸出產生毛刺,參考時鐘頻率越高,出錯的可能性也越大,

4.4.2 4.5倍分頻計數器的實作(非50%占空比)

 本方法可以使輸出時鐘不含毛刺,概括的講,這種方法是在9個原始時鐘內等間隔產生兩個脈沖,

1、使用復位值為0_0000_0001的9位移位暫存器,在每個時鐘上升沿回圈左移一位,

2、產生第一個脈沖,下降沿移動第一位,并將移動后的結果和第一位、第二位進行或操作,

3、產生第二個脈沖,第五位和第六位半周期時移動,并與第六位進行或操作,

注意這里每一個脈沖都是三個信號相或得到的,這樣做的目的是防止兩個信號同時變化出現競爭冒險現象,

`timescale 1ns / 1ps
module div4_5(
    input clk_in,
    input rst_n,
    output clk_out
);
reg [8:0]count;
reg count1_shift,count5_shift,count6_shift;

always @(posedge clk_in or negedge rst_n ) begin
    if(~rst_n)
        count <= 'd1;
    else
        count <= {count[7:0],count[8]};    
end

always @(negedge clk_in or negedge rst_n ) begin
    if(~rst_n)begin
        count1_shift <= 1'b0;
        count5_shift <= 1'b0;
        count6_shift <= 1'b0;
    end
    else begin
        count1_shift <= count[1];
        count5_shift <= count[5];
        count6_shift <= count[6];
    end
end

assign clk_out = count[1]|count1_shift|count[2]|count5_shift|count[6]|count6_shift;

endmodule

 仿真波形

 

 4.5 N分頻的替換方法

以上電路都假設輸入時鐘占空比50%,否則小數分頻輸出會出現抖動,整數分頻器也會有不同占空比,

基于查找表的組合反饋電路可以產生不含毛刺的時鐘,

4.5.1 1.5分頻的查找表實作

 這里不是三分頻嗎,為啥說實作了一個1.5分頻?

Google了一下發現作者電路沒給全,完整電路如下,

 

 這樣就比較好懂了,電路也比較簡單,就懶得寫代碼了,

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