EDA实验——数控分频器设计（QuartusII）

一、实验目的

学习数控分频器的设计、分析和测试方法。
了解和掌握分频电路实现的方法。
掌握EDA技术的层次化设计方法。

二、实验原理

数控分频器的功能就是当输入端给定不同的输入数据时，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来设计完成的，方法是将计数溢出位与预置数加载输入信号相接得到。

三、实验内容

本实验要求完成的任务是在时钟信号的作用下，通过输入四位的拨码开关输入不同的数据，改变分频比，使输出端口输出不同频率的时钟信号，达到数控分频的效果。在实验中时，数控分频器的数字时钟输入2HZ作为输入的时钟信号（所以事先要先通过编程得到这个时钟信号），用四位拨码开关做为数据的输入，当拨码开关置为一个二进制数时，在输出端口输出对应频率的时钟信号，用输出端口接LED灯来观察频率的变化。

四、实验步骤

图示如下：

表4-1 端口管脚分配表

端口名	对应FPGA管脚	说明
CLK	209	时钟为10KHZ
DIN	212、213、34、35	输入数据
LED	167	分频输出
LED_CS	174

打开QUARTUSII软件，新建一个工程。
新建一个Schematic File 文件。
新建一个锁相环将输入的50MHz的时钟分频成10MHz。
新建两个Verilog File，打开Verilog编辑器对话框，第一个文件的功能是将10MHz分频成2Hz。第二个文件的功能是实现数控分频器设计。
按照实验原理和自己的想法，在Verilog编辑窗口编写Verilog程序。
编写完Verilog程序后，保存起来。
从设计文件创建模块。
对自己编写的Verilog程序进行编译并仿真，对程序的错误进行修改。
在 Schematic File文件中，在空白处双击鼠标左键，在 Symbol 对话框左上角的libraries 中，分别将创建的模块放在图形文件 Schematic File中，加入输入、输出引脚，双击每个引脚，进行引脚命名，并锁定管脚，将未使用的引脚设置为三态输入（一定要设置，否则可能会损坏芯片）
编译仿真无误后，依照拨码开关、LED与FPGA的管脚连接表（表1-1、表1-2）或参照附录进行管脚分配。表4-1是示例程序的管脚分配表。分配完成后，再进行全编译一次，以使管脚分配生效。
用下载电缆通过JTAG口将对应的sof文件加载到FPGA中。观察实验结果是否与自己的编程思想一致。

五、注意事项

注意观察当输入数据改变是输出的反应。
一定要把没用的管教设置成三态输入。
对实验现象进行分析总结。

六、思考题

简述锁相环的基本原理及应用。
总结本次实验的心得体会。

七、实验过程

分频器的基本原理

什么是分频器？

分频就是生成一个新时钟，该新时钟的频率是原有时钟频率的整数分之一倍，新周期是原有周期的整数倍。再简单来说，让你手撕一个四分频电路，就是写代码生成一个周期是原来四倍的时钟，如果手撕一个三分频电路，就是写代码生成一个周期是原来三倍的时钟。但是奇数分频会比偶数分频复杂一些。

如图所示，这就是一个二分频的结果图，堆输入信号CP进行二分频。

如何去分频？

很简单，我们只需要去进行数数就可以了，对输入信号进行周期数数，比如要进行4分频的话，那么我们对输入信号周期数到2，就进行一次翻转，然后再数到2又一次进行翻转，那么输出信号的一个周期就等于输入信号的4个周期。（如下图所示）

分频分为奇数分频和偶数分频，上面的例子是对于偶数分频的，偶数分频是比较简单的，只需要去对半开就行了，一半是低电平另一半就是高电平。但是对于奇数分频的话会比较麻烦，奇数分频我们可以把奇数分频转换为偶数分频去实现，也就是说其中有一段是为空电平的，比如5分频，对输入信号进行周期数数，把输入信号其中一个周期设置为空电平即可，然后剩下4个周期数到其中一半为低电平，另一半为高电平就行了。下面项目我就以偶数分频为示例，如果你们对奇数分频感兴趣的话可以去自己试试。

1.创建新项目

打开你的QuartusII，然后点击New project，就去创建新项目。

然后设置项目的路径和名称（自己设置就好了）

选择相对应的芯片类型（看自己情况选择）

创建完成！

2.创建Verilog文件，写入代码

点击New，创建文件

选择Verilog文件，创建

然后就是写代码，写完之后就进行保持文件，把文件的名称跟模块的名称改成一样。（必须一致）

根据实验要求我们要去创建两个Verilog文件，如下所示：

第一个文件 div.v 文件,此文件目的是把输入信号的10MHz频率转换为2Hz频率。代码如下。

module div(clk,out_clk);
input wire clk;
output out_clk;
reg out_clk;

reg [26:0] cnt;
always@(posedge clk )
	begin
		if(cnt == 2500000)
		begin
		out_clk = out_clk +1;
		cnt = 0;
		end 
			
		else
			begin
			
			cnt = cnt +1;
			
			end
	end 

endmodule

第二个文件就是去实现数控分频，也就是前面一个文件分频后的2Hz输入信号进行分频。代码如下：

module clk_even_div(
	input clk,//输入信号
	input [3:0] num,//输入要进行的分频数，偶数
	output reg clk_div//输出信号频率
);
	reg [3:0] cnt=4'd0;//临时数据，进行数数统计
	
always @(posedge clk)
begin
		if(cnt==num/2-1)//如果数到一半，输出信号就进行翻转
		begin
			cnt<=cnt+4'd1;
			clk_div<=1'b1;
		end
		
		else if(cnt==num-1)//如果数完了之后，再次翻转
		begin
			cnt<=4'd0;
			clk_div<=1'b0;
		end
		
		else	//其他情况的话就进行继续数数
		begin
			cnt<=cnt+4'd1;
		end
end
endmodule

然后写完之后保存，注意代码模块的名称必须与文件的名称一致！！