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使用Verilog设计分频模块（2Hz）

article 2024/10/23 1:47:39

在数字电路设计中，分频器是一种常见的电路，用于将一个高频的时钟信号分频到一个较低频率的时钟信号。本次将通过一个实际的例子，讲解如何使用Verilog语言设计一个分频器，将系统时钟信号分频到2Hz。

在数字电路系统的设计中，分频器是一种应用十分广泛的电路，其功能就是对高频率的信号进行分频。本质上，分频电路是加法计数器的变种，其计数值由分频系数N=Fin/Fout决定，其输出不是一般计数器的计数结果，而是根据分频常数对输出信号的高、低电平进行控制。通常来说，分频器常用于对数字电路中的时钟信号进行分频，从而得到较低频率的时钟信号、选通信号、中断信号等。

一、电路符号

二、代码设计

module div_clk( sclk, s_rst_n, clk_2Hz );
    // 输入信号
    input wire sclk,          // 系统时钟信号
            s_rst_n;          // 复位信号，低电平有效

    // 输出信号
    output reg clk_2Hz;       // 输出的2Hz时钟信号

    // 参数定义
    parameter CNT_END = 50000000; // 分频计数器的结束值，用于生成2Hz时钟

    // 内部信号定义
    reg [25:0] div_cnt;       // 分频计数器，26位宽，足以容纳CNT_END值

    // 分频计数器的时钟上升沿或复位信号下降沿触发
    always @(posedge sclk or negedge s_rst_n) begin
        if (s_rst_n == 1'b0) begin
            div_cnt <= 25'd0;  // 如果复位信号为低，则计数器清零
        end else if (div_cnt == CNT_END - 1'b1) begin
            div_cnt <= 25'd0;  // 如果计数器达到CNT_END，则计数器清零
        end else begin
            div_cnt <= div_cnt + 1'b1;  // 否则，计数器加一
        end
    end

    // 输出时钟信号的生成
    always @(posedge sclk or negedge s_rst_n) begin
        if (s_rst_n == 1'b0) begin
            clk_2Hz <= 1'b0;  // 如果复位信号为低，则输出时钟信号清零
        end else if (div_cnt == (CNT_END >> 1'b1) - 1'b1) begin
            clk_2Hz <= 1'b0;  // 当计数器达到CNT_END的一半时，输出时钟信号为低
        end else if (div_cnt == CNT_END - 1'b1) begin
            clk_2Hz <= 1'b1;  // 当计数器达到CNT_END时，输出时钟信号为高
        end
    end
endmodule

代码分析

模块定义：div_clk模块有三个端口：sclk（系统时钟），s_rst_n（复位信号），和clk_2Hz（输出的2Hz时钟信号）。

参数定义：CNT_END定义了分频计数器的结束值，这个值决定了输出时钟的频率。

内部信号：div_cnt是一个26位的计数器，用于计数输入时钟周期。

计数器逻辑：第一个always块定义了计数器的行为。当复位信号为低时，计数器清零。否则，如果计数器达到CNT_END，则清零；否则，计数器加一。

输出时钟信号生成：第二个always块定义了输出时钟信号的行为。当计数器达到CNT_END的一半时，输出时钟信号为低；当计数器达到CNT_END时，输出时钟信号为高。

三、仿真结果

（1）仿真代码

`timescale 1ns/1ns

module div_clk_tb;

    // 输入信号
    reg sclk;          // 系统时钟信号
    reg s_rst_n;       // 复位信号，低电平有效

    // 输出信号
    wire clk_2Hz;      // 输出的2Hz时钟信号

    // 实例化被测模块
    div_clk uut (
        .sclk(sclk),
        .s_rst_n(s_rst_n),
        .clk_2Hz(clk_2Hz)
    );
 initial begin
        sclk = 0;
        forever #10 sclk = ~sclk; 
  end

    // 测试序列
    initial begin
        // 初始化
        s_rst_n=1;
	    #100
	    s_rst_n = 0; // 复位
        #100;        // 保持复位100ns
        s_rst_n = 1; // 释放复位
        #50000000;   // 等待一段时间，观察输出
        $finish;
    end

    // 观察输出波形
    initial begin
       $monitor("Time = %t,s_rst_n = %b, clk_2Hz = %b", 
                  $time,  s_rst_n, clk_2Hz);
    end

endmodule

（2）仿真结果