EDA 数控分频器的设计

数控分频器的设计1、实验目的：学习数控分频器的设计、分析和测试方法。

2、实验原理：数控分频器的功能就是当在输入端给定不同输入数据时，将对输入的时钟信号有不同的分频比，数控分频器就是用计数值可并行预置的加法计数器设计完成的，方法是将计数溢出位与预置数加载输入信号相接即可，详细设计程序如例下文所示。

1) VHDL及语句分析LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY DVF IS --定义实体DVFPORT ( CLK : IN STD_LOGIC; --时钟输入D : IN STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0); --7位预置数FOUT : OUT STD_LOGIC ); --输出的频率END DVF;ARCHITECTURE one OF DVF IS --定义结构体oneSIGNAL FULL : STD_LOGIC; --定义信号fullBEGINP_REG: PROCESS(CLK) --进程P_REG中CNT8从预置数D开始逐步累加到255后，FULL置1；再将CNT8置为D，循环以获得一个新的周期脉冲序列FULL，即产生新的频率V ARIABLE CNT8 : STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);BEGINIF CLK'EVENT AND CLK = '1' THENIF CNT8 = "11111111" THENCNT8 := D;FULL<='1';ELSE CNT8 := CNT8 + 1;FULL <= '0';END IF;END IF;END PROCESS P_REG ;P_DIV: PROCESS(FULL) --进程P_DIV中，FOUT是占空比为50%的周期信号。

图2.1
占空比为0.5的3分频电路仿真结果如图2.2所示，k_or输出波形的周期为clk脉冲的周期的倍，且占空比为50%。

图2.2
占空比为0.25的8分频电路模型如图2.3所示，有一个脉冲端口（clk），和一个输出端口
图2.3
占空比为0.25的8分频电路仿真结果如图2.4所示，k1输出波形的周期为clk脉冲的周期的倍，且占空比为25%。

图2.4
、结果分析与实验体会
经过本次实验，我对用xlinx软件进行EDA设计有了进一步的认识和理解，经过上一次的实验，这一次可以说是轻车熟路，尽管如此，在实验过程中还是遇到了很多问题，但在同学和老师的帮助这些问题都一一解决。

在解决这些问题的过程中，我体会不同开发环境对VHDL编码的要求，Xilinx ISE FPGA与QuartusII开发环境的区别，了解到更加严格，在中可以编译通过的程序。

1 引言简易多功能信号发生器是信号发生器的一种，在生产实践和科研领域中有着广泛的应用。

在研制、生产、测试和维修各种电子元件、部件以及整机设备时，都需要有信号源，由它产生不同频率不同波形的电压、电流信号并加到被测器件或设备上，用其他仪器观察、测量被测仪器的输出响应，以分析确定它们的性能参数。

信号发生器是电子测量领域中最基本、应用最广泛的一类电子仪器。

它可以产生多种波形信号,如正弦波,三角波,方波和锯齿波等,因而广泛用于通信、雷达、导航、宇航等领域。

本设计是采用VHDL来实现的简易多功能信号发生器。

它能产生正弦波,三角波,方波和锯齿波。

且对各种波形的要求如下：（1）根据按键选择不同的波形（实现正弦波,三角波,方波和锯齿波）；（2）各波形的频率范围为100Hz-20KHz；（3）各波形频率可调（通过按键控制频率的变化，步进值为500Hz）；（4）用LED数码管实时显示输出波形的频率值；（5）用按键控制实现输出信号的幅度调节（幅度调节为2.5V和5V）。

2 设计原理2.1设计思想信号发生器产生、控制和显示的总体结构图如图所示图1 总体结构图外部输入一个50MHZ的时钟频率，经过频率控制单元控制其频率在要求的范围内，由4选1数据选择器实现对输出波形的选择，再通过D/A转换模块，将数字信号转换成模拟信号在示波器上显示出来。

2.2 总体原理图基于VHDL语言设计一个简易多功能信号发生器，通过选入输入信号，可以输出正弦波、三角波、方波和锯齿波四种波形信号。

信号发生器的控制模块可以用数据选择器实现，四种信号的信号选择可以用4选1数据选择器实现。

同时本设计使用原理图的方法，对正弦波、三角波、方波和锯齿波和4选1数据选择器元件进行调用。

简易多功能信号发生器的原理图如下：2.3 总体功能介绍由总体原理图可知，总体有六个输入，六个个输出。

其中一个时钟输入端clk，以一个频率调节输入端b，一个使系统输出波形的频率为最大的控制输入端h和一个使系统输出波形的频率为最小的控制输入端l，sel进行幅度调节，一个波形选择输入端a，波形输出b，五个频率显示数码管。

实验三数控分频器设计【实验目的】1．设计实现一个根据不同的输入，将时钟信号进行分频2．掌握分频计数器类型模块的Verilog描述方法；3．学习设计仿真工具的使用方法；4．学习层次化设计方法；【实验内容】1．用Verilog 语言设计带计数允许和复位输入的数控分频器。

2．编制仿真测试文件，并进行功能仿真。

3．下载并验证分频器功能【实验原理】数控分频器的功能就是当在输入端给定不同数据时，将对输入的时钟信号有不同的分频比，数控分频器就是用计数值可并行预置的加法计数器设计完成的，方法是将计数溢出位与预置数加载输入信号相加即可。

【程序源代码】（加注释）module FDIV (clk,d,fout,pfull); //数控分频器顶层设计描述input [7:0]d; //定义一个七位数输入input clk; //定义一个时钟信号output fout ,pfull; //定义输出和记满标志位pfullreg[7:0] Q; //定义一个7位寄存器变量reg full;reg pfull;reg fout;always @ (posedge clk) //开始过程语句posedge clk位敏感变量beginif (Q==d) //当有上升沿敏感信号时Q==dbegin Q=0; //Q被清零full=1; // full被赋值为1endelsebeginQ=Q+1; full =0; //否则Q=Q+1，full=0pfull=full; //将full赋值给pfullendalways @ (posedge pfull) //过程语句posedge pfull为敏感变量fout=~fout; // fout取反以后赋值给fout endmodule //结束模块【仿真和测试结果】【实验心得和体会】通过本次试验，我们对数控分频器的设计与原理都有了初步的了解，例如给定100HZ的时钟信号，然后给定d=5的输入，而后输出信号的频率为10HZ。

EDA实验报告学院：班级：学号：指导老师：姓名：一、实验目的：学习数控分频器的设计，分析和测试方法。

二、实验原理：不同的分频比，数控分频器就是用计数值可并行预置的加法计数器设计完成的，方法是将数控分频器的功能就是当在输入端给定不同输入数据时，将对输入的时钟信号有计时器溢出位与预置数加载输入信号相接即可。

三、实验内容1、将4096HZ的时钟信号分频为1HZ的时钟信号。

实验原理图：实验源程序：library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity dvf isport(clk_in:in std_logic;fout:out std_logic);end;architecture one of dvf issignal cnt: integer range 0 to 2048;signal clk_out:std_logic;beginprocess(clk_in)beginif clk_in'event and clk_in = '1' thenif cnt=2048 thencnt <=0;clk_out <=not clk_out;elsecnt<=cnt+1;end if;end if;end process;fout<=clk_out;end one;功能仿真波形图：实验引脚图：实验箱上工作情况：当CLOCK5接4096HZ的时钟信号时，扬声器每秒钟响一次。

2、如实验内容1将4096HZ的时钟信号分频为2HZ、8HZ、16HZ的时钟信号。

3、编写四选一MUX，可用按键控制选择分频后的某时钟。

实验原理图：实验源程序：library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity dvf isport(clk:in std_logic;s: in std_logic_vector(1 downto 0);clk_out:out std_logic);end;architecture one of dvf issignal clk1_out:std_logic;signal clk2_out:std_logic;signal clk3_out:std_logic;signal clk4_out:std_logic;signal cnt2048:integer range 0 to 2048; signal cnt1024:integer range 0 to 1024; signal cnt256:integer range 0 to 256; signal cnt128:integer range 0 to 128;beginfen1: process(clk)beginif clk'event and clk = '1' thenif cnt2048=2048 thencnt2048 <=0;clk1_out <=not clk1_out;elsecnt2048<=cnt2048+1;end if;end if;end process;fen2: process(clk)beginif clk'event and clk = '1' thenif cnt1024=1024 thencnt1024 <=0;clk2_out <=not clk2_out;elsecnt1024<=cnt1024+1;end if;end if;end process;fen8: process(clk)beginif clk'event and clk = '1' thenif cnt256=256 thencnt256 <=0;clk3_out <=not clk3_out;elsecnt256<=cnt256+1;end if;end if;end process;fen16: process(clk)beginif clk'event and clk = '1' thenif cnt128=128 thencnt128 <=0;clk4_out <=not clk4_out;elsecnt128<=cnt128+1;end if;end if;end process;xuan: PROCESS(s)BEGINCASE s ISWHEN "00" => clk_out<=clk1_out;WHEN "01" => clk_out<=clk2_out;WHEN "10" => clk_out<=clk3_out;WHEN "11" => clk_out<=clk4_out;WHEN OTHERS => NULL;END CASE;END PROCESS;END;功能仿真波形：实验引脚图：实验箱上工作情况：CLOCK5接4096HZ的时钟信号，按键1、键2使输入分别为00、01、10、11，扬声器输出声音频率分别为1HZ、2HZ、8HZ、16HZ。

基于EDA技术的数控分频器设计作者：韩丽英来源：《数字技术与应用》2009年第11期[摘要]数控分频器广泛应用在家庭数字音响、通信设备时序电路、数字频率计中。

另外,近年来已成为电子竞赛设计中常用的单元模块。

本文论述了数控分频器的基本原理、设计思路及小数分频器的原理及设计,并给出了一个2.5 分频器电路仿真波形。

[关键词]EDA技术数控分频器 VHDL语言[中图分类号]TN-4[文献标识码]A[文章编号]1007-9416(2009)11-0108-021 引言数控分频器广泛应用在家庭数字音响、通信设备时序电路、数字频率计中。

另外,近年来已成为电子竞赛设计中常用的单元模块。

笔者在连续三年指导学生电子设计竞赛过程中都用到了数控分频器。

用传统的设计方法设计数控分频器时,典型的设计是采用具有预置数据输入端的通用计数器芯片按设计要求完成。

但当分频系数较大时,需用多片集成计数器和设计更复杂的控制电路来实现,且设计成果的可修改性和可移植性都较差。

尤其是对于参加电子设计竞赛的学生,在有限的3-5天时间内要完成一个指定功能的设计,尤其不适合采用这种传统的“固定功能的集成电路+连线”的设计模式。

基于EDA技术的数控分频器设计,采用的是用软件的方法设计硬件的EDA (电子设计自动化)技术。

作为EDA技术重要组成部分的VHDL硬件描述语言是一种符合IEEE工业标准的建模语言。

用它设计的数控分频器可作为一个模块,移植到很多数字电路系统中,且极易修改,只要修改程序中的某几条语句,就可使最大分频系数得到改变。

整个设计过程简单、快捷。

可从根本上减少硬件调试的时间,为总体设计完成争取宝贵的时间。

2 通用数控分频器的原理数控分频器的功能就是当在输入端给定不同输入数据时,将对输入的时钟信号有不同的分频比,数控分频器可用计数值可并行预置的加法计数器设计实现。

所以数控分频器功能的实质是分频电路,即将一个给定的频率较高的数字输入信号,经过适当的处理后,产生一个或数个频率较低的数字输出信号。

三、实验效果分析（包过仪器设备等使用效果）三、实验效果分析：①八分频，十一分频器的程序主要包括两部分，一是先设定好计数的位数，让计数器计数，当计数满时产生溢出，使溢出标志位为高电平；二是当溢出标志位为1时，D 触发器的D状态发生翻转，从而产生高低电平的变化，而达到分频的目的，计数初值的不同，计数满所要的时钟个数也就不同，D触发器电平翻转所用的时间也就不同，频率也就不同。

②循环计数器是给定时器赋不同的初值，不同初值溢出所用的时间也就不同，状态翻转所用时间也就不同，从而达到实现不同音频循环输出的目的。

③硬件测试：写好程序连接好电路后电路能够很好的实验16种不同音频之间的循环输出，说明实验程序正确，对应的RTL仿真图形也正确。

④实验例序中的P_DIV进程的作用是当计数满产生溢出时让D触发器的状态发生翻转，D触发器状态的翻转的频率就是分频器输出的频率。

也就是做分频器的频率输出作用。

教师评语指导教师年月日江西师范大学物理与通信电子学院教学实验报告专业：电子信息工程2011年月日实验名称数控分频器的设计指导老师姓名年级学号成绩一、预习部分1、实验目的2、实验基本原理3、主要仪器设备（包含必要的元器件、工具）一、实验目的：1．了解数控分频器的设计原理以及分析和测试方法。

2．学会构造使用不同功能的数控分频器械。

二、实验基本原理：给定时器设定好初值，当计数满时溢出，产生溢出后溢出标志位D触发器取反，这样当设定不同的初值时产生一次溢出所用的时间也就不同，频率也就随之改变。

通过设定不同的初值从而产生不同的分频。

三、主要仪器设备电脑，实验箱二、实验操作步骤1．实验数据、表格及数据处理2．实验操作过程（可以用图表示）3．结论1.实验数据、表格及数据处理如下：十一分频器：library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity sy52 isport(clk:in std_logic;d:in std_logic_vector(10 downto 0);fout:out std_logic);end ;architecture one of sy52 issignal full :std_logic;beginp_reg:process(clk)variable cnt8:std_logic_vector(10 downto 0);beginif clk'event and clk='1' thenif cnt8="11111111111"thencnt8:=d;full<='1';elsecnt8:=cnt8+1;full<='0';end if;end if;end process p_reg;p_div:process(full)variable cnt2:std_logic;beginif full'event and full='1'thencnt2:=not cnt2;if cnt2='1'thenfout<='1';elsefout<='0';end if ;end if ;end process p_div;end 2、实验操作过程如下：八分频器：library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity sy51 isport(clk:in std_logic;d:in std_logic_vector(7 downto 0);fout:out std_logic);end ;architecture one of sy51 issignal full :std_logic;beginp_reg:process(clk)variable cnt8:std_logic_vector(7 downto 0);beginif clk'event and clk='1' thenif cnt8="11111111"thencnt8:=d;full<='1';elsecnt8:=cnt8+1;full<='0';end if;end if;end process p_reg;p_div:process(full)variable cnt2:std_logic;beginif full'event and full='1'thencnt2:=not cnt2;if cnt2='1'thenfout<='1';elsefout<='0';end if ;end if ;end process p_div;end ;。

EDA设计课程实验报告实验题目：数控分频器设计学院名称：专业：班级：姓名：高胜学号小组成员：指导教师：一、实验目的学习数控分频器的设计、分析和测试方法。

二、设计任务及要求1、设计总体要求：在SmartSOPC试验箱上的实现数控分频器的设计。

在clk输入64kHz或更高（要确保分频后落在音频范围）的频率信号（由int_div模块分频得到）；输出FOUT接蜂鸣器BUZZ-ER,由KEY1/KEY2控制输入8位预置数，并在数码管1~2上显示（调用key_led模块）。

2、设计基本要求：（1）能将频率分频。

（2）进行正常的蜂鸣器的蜂鸣功能。

（3）由2个数码管显示预置数。

三、系统设计1、整体设计方案数控分频器的输出信号频率为输入数据的函数。

数控分频器的clk为时钟输入端，data是数据输入端，fout是数控频率输出端。

数控分频器的输出频率受数据data的控制，data越大，输出频率越高。

数控分频器就是用计数值可并行预置的加法计数器设计完成的，方法是将计数溢出位与预置数加载输入信号相接即可。

数控分频器是由数码管显示电路、按键控制电路、脉冲发生电路这3个基本电路组成。

数控分频器的系统框图（见图1）：图1 数控分频器的系统框图2、功能模块电路设计48MHz的脉冲经过分频器分成64KHz，然后输入带数控分频电路当中，按键控制分频电路中的频率变化，数码管显示预置数，蜂鸣器响起。

（1）输入输出模块框图（见图2）图2 数控分频器的输入输出模块框图（2）算法流程图（见图3）图3数控分频器的算法流程图（3）Verilog源代码按键控制电路代码：module key_led(clock,key,led,hex,bin,seg,dig,ledin,data);input clock; //系统时钟(48MHz)input[7:0] key; //按键输入(KEY1~KEY8)output[7:0] led; //LED输出(LED1~LED8)output[15:0]hex; //4位16进制数输出（在数码管1~4显示）output[3:0]bin; //4位2进制数输出（在LED1~LED4显示）output[7:0]seg; //数码管段码输出output[7:0]dig; //数码管位码输出input[3:0]ledin; //LED显示输入（在LED5~LED8显示）input[15:0]data; //数码管显示输出（在数码管5~8显示）reg[15:0]hex_r;reg[3:0]bin_r;reg[7:0]seg_r;reg[7:0]dig_r;reg[16:0]count; //时钟分频计数器reg[7:0]dout1,dout2,dout3,buff; //消抖寄存器reg[2:0]cnt3; //数码管扫描计数器reg[3:0]disp_dat; //数码管扫描显存reg div_clk; //分频时钟,用于消抖和扫描wire[7:0]key_edge; //按键消抖输出//信号输出assign hex = hex_r;assign bin = bin_r;assign seg = seg_r;assign dig = dig_r;assign led = ~{ledin,bin_r};//时钟分频部分always @(posedge clock)beginif (count < 17'd120000)begincount <= count + 1'b1;div_clk <= 1'b0;endelsecount <= 17'd0;div_clk <= 1'b1;endend//按键消抖部分always @(posedge clock)beginif(div_clk)begindout1 <= key;dout2 <= dout1;dout3 <= dout2;endend//按键边沿检测部分always @(posedge clock)beginbuff <= dout1 | dout2 | dout3;endassign key_edge = ~(dout1 | dout2 | dout3) & buff;//4位16进制数输出部分always @(posedge clock) //按键1 beginif(key_edge[0])hex_r[15:12] <= hex_r[15:12] + 1'b1;endalways @(posedge clock) //按键2 beginif(key_edge[1])hex_r[11:8] <= hex_r[11:8] + 1'b1;always @(posedge clock) //按键3 beginif(key_edge[2])hex_r[7:4] <= hex_r[7:4] + 1'b1;endalways @(posedge clock) //按键4 beginif(key_edge[3])hex_r[3:0] <= hex_r[3:0] + 1'b1;end//4位2进制数输出部分always @(posedge clock) //按键5 beginif(key_edge[4])bin_r[0] <= ~bin_r[0];endalways @(posedge clock) //按键6 beginif(key_edge[5])bin_r[1] <= ~bin_r[1];endalways @(posedge clock) //按键7 beginif(key_edge[6])bin_r[2] <= ~bin_r[2];endalways @(posedge clock) //按键8 beginif(key_edge[7])bin_r[3] <= ~bin_r[3];//数码管扫描显示部分always @(posedge clock) //定义上升沿触发进程beginif(div_clk)cnt3 <= cnt3 + 1'b1;endalways @(posedge clock)beginif(div_clk)begincase(cnt3) //选择扫描显示数据3'd0:disp_dat = hex_r[15:12]; //第一个数码管3'd1:disp_dat = hex_r[11:8]; //第二个数码管3'd2:disp_dat = hex_r[7:4]; //第三个数码管3'd3:disp_dat = hex_r[3:0]; //第四个数码管3'd4:disp_dat = data[15:12]; //第五个数码管3'd5:disp_dat = data[11:8]; //第六个数码管3'd6:disp_dat = data[7:4]; //第七个数码管3'd7:disp_dat = data[3:0]; //第八个数码管endcasecase(cnt3) //选择数码管显示位3'd0:dig_r = 8'b01111111; //选择第一个数码管显示3'd1:dig_r = 8'b10111111; //选择第二个数码管显示3'd2:dig_r = 8'b11011111; //选择第三个数码管显示3'd3:dig_r = 8'b11101111; //选择第四个数码管显示3'd4:dig_r = 8'b11110111; //选择第五个数码管显示3'd5:dig_r = 8'b11111011; //选择第六个数码管显示3'd6:dig_r = 8'b11111101; //选择第七个数码管显示3'd7:dig_r = 8'b11111110; //选择第八个数码管显示endcaseendalways @(disp_dat)begincase(disp_dat) //七段译码4'h0:seg_r = 8'hc0; //显示04'h1:seg_r = 8'hf9; //显示14'h2:seg_r = 8'ha4; //显示24'h3:seg_r = 8'hb0; //显示34'h4:seg_r = 8'h99; //显示44'h5:seg_r = 8'h92; //显示54'h6:seg_r = 8'h82; //显示64'h7:seg_r = 8'hf8; //显示74'h8:seg_r = 8'h80; //显示84'h9:seg_r = 8'h90; //显示94'ha:seg_r = 8'h88; //显示a4'hb:seg_r = 8'h83; //显示b4'hc:seg_r = 8'hc6; //显示c4'hd:seg_r = 8'ha1; //显示d4'he:seg_r = 8'h86; //显示e4'hf:seg_r = 8'h8e; //显示f endcaseendendmodule数控分频电路代码：module pulse(clk,data,fout); //数控分频器 input clk; //时钟输入 input[7:0]data; //预置分频数reg fout_r; //输出寄存器reg[7:0] cnt8; //8位计数器reg full; //溢出标志位reg cnt2;assign fout = fout_r; //分频输出always @(posedge clk)beginif(cnt8 == 8'hff)begincnt8 <= data; //当cnt8计数计满时，输入数据Data被同步预置给计数器Cnt8 full <= 1'b1; //同时使溢出标志信号full输出为高电平endelsebegincnt8 <= cnt8 + 1'b1;//否则继续作加1计数full <= 1'b0; //且输出溢出标志信号full为低电平endendalways @(posedge full)beginif(full == 1'b1)begincnt2 = ~cnt2; //如果溢出标志信号full为高电平，D触发器输出取反if(cnt2 == 1'b1)fout_r = 1'b1;elsefout_r = 1'b0;endendendmodule四、系统调试1、仿真调试（1）仿真波形图（见图4）图4 数控分频器仿真波形（2）波形分析由波形图可以知道实验成功。