計數(shù)器與分頻器VHDL設(shè)計

EDA課程的地位和作用

項目8

時序電路的VHDL設(shè)計

工作任務(wù)：1.基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)2.通用計數(shù)器設(shè)計3.十進(jìn)制減法計數(shù)器設(shè)計4.十二進(jìn)制加法計數(shù)器設(shè)計8-2計數(shù)器的VHDL設(shè)計1.基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)計數(shù)器功能：對輸入脈沖計數(shù)計數(shù)器應(yīng)用：計數(shù)、定時、控制、分頻等計數(shù)器分類：

按同步方式分：同步計數(shù)器、異步計數(shù)器

同步：受同一個時鐘控制異步：不受同一個時鐘控制

按計數(shù)方向分：加法計數(shù)器、減法計數(shù)器

按模數(shù)分：二進(jìn)制、五進(jìn)制、十進(jìn)制等計數(shù)器：1.基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)PLD原理PLD分類CPLD：PAL擴(kuò)展型FPGA：邏輯單元型可編程邏輯器件（PLD）：輸入電路與門陣列或門陣列輸出電路輸入輸出1.基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)PLD優(yōu)點：

密度大功耗低速度快結(jié)構(gòu)靈活開發(fā)工具先進(jìn)可編程邏輯器件（PLD）：VHDL語言要點:結(jié)合VHDL源程序?qū)嵗v解2.通用計數(shù)器設(shè)計設(shè)計一個通用計數(shù)器，要求：復(fù)位信號為高電平時計數(shù)器清零或賦初值；使能信號為高電平時計數(shù)器正常工作，低電平時計數(shù)值不變；計數(shù)方向控制信號為高電平時，按加法規(guī)則計數(shù)，即來一個時鐘計數(shù)器加1，計數(shù)器達(dá)到最大值時再來一個時鐘自動清零；否則，按減法規(guī)則計數(shù)，減到0時再來一個時鐘計數(shù)器為最大值；計數(shù)器的?？烧{(diào);計數(shù)器觸發(fā)邊沿可調(diào)。設(shè)計要求：resetenableclkQ[0…N-1]通用計數(shù)器dir（1）構(gòu)思——擬定設(shè)計方案CDIO（構(gòu)思、設(shè)計、實現(xiàn)、運行）理念（2）設(shè)計——編寫VHDL源程序方案一、用硬件搭接，缺點是電路復(fù)雜，焊點多，可靠性差，不夠靈活；方案二、用單片機(jī)實現(xiàn)，但可靠性差，速度慢；方案三、用硬件描述語言（HDL)編程，用可編程邏輯器件（PLD）實現(xiàn)，好處是可靠性高、靈活性好。

VHDL源程序libraryieee;useieee.std_logic_1164.all;useieee.numeric_std.all;entitycountnis

generic(N:integer:=10);--N為正整數(shù) port ( clk,dir :instd_logic; reset :instd_logic; enable:instd_logic; q:outintegerrange0toN-1 );endentity;architecturertlofcountnisbeginprocess(clk)

variablecnt :integerrange0toN-1;begin

ifreset='1'then

cnt:=0;--計數(shù)器復(fù)位

elsifenable='1'then--

計數(shù)器正常工作 if(clk'eventandclk='1')then--時鐘上升沿到來

ifdir='1'then

if(cnt<N-1)then--加法計數(shù)cnt:=cnt+1;elsecnt:=0;endif;

else

if(cnt>0)then--減法計數(shù)cnt:=cnt-1;elsecnt:=N-1;endif;

endif;

endif;

endif;q<=cnt;--輸出計數(shù)值endprocess;endrtl;（3）實現(xiàn)——編輯、編譯、仿真、編程由波形圖可以看出，由于dir為高電平，N=10，這時countn就是一個十進(jìn)制加法計數(shù)器。如果要生成其它進(jìn)制的加法計數(shù)器，只要修改generic類屬變量參數(shù)N的值即可。例如：設(shè)計五進(jìn)制計數(shù)器時，令N=5；設(shè)計十二進(jìn)制計數(shù)器時，令N=12。如果需要對輸入脈沖下降沿計數(shù)，只要將if(clk‘eventandclk=‘1’)then語句中的’1’改為’0’即可。（4）運行——測試、改進(jìn)、總結(jié)3.學(xué)中做——十進(jìn)制減法計數(shù)器要求：設(shè)計一個十進(jìn)制減法計數(shù)器，初值為9。構(gòu)思：

方案一、仿照countn重新設(shè)計，好處是可以省掉加法計數(shù)部分的的語句，節(jié)省資源，但改動地方較多，容易出錯；

方案二、在通用計數(shù)器countn源程序的基礎(chǔ)上稍作修改即可滿足設(shè)計要求，好處是可以簡化程序設(shè)計，但占用資源稍多。設(shè)計：采用方案二。將countn中語句ifreset=‘1’thencnt:=0;

改為ifreset=‘1’thencnt:=9；實現(xiàn)初值為9的要求；仿真時令dir為低電平，實現(xiàn)減法計數(shù)的要求。3.學(xué)中做——十進(jìn)制減法計數(shù)器圖中可以看出，reset為高電平時計數(shù)器輸出為9；由于dir為低電平，N=10，所以countn變成了一個十進(jìn)制減法計數(shù)器。實現(xiàn)：編輯、編譯、仿真、編程運行：測試、改進(jìn)、總結(jié)4.做中學(xué)——設(shè)計一個十二進(jìn)制加法計數(shù)器

設(shè)計要求：輸入輸出resetenableclkQ3Q2Q1Q01XX000000X不變不變不變不變01計數(shù)器+1(N=11時清零)十二進(jìn)制加法計數(shù)器功能表（1）構(gòu)思——擬定設(shè)計方案resetenableclkQ[0…11]十二進(jìn)制加法計數(shù)器dir‘1’（2）設(shè)計——編寫VHDL源程序

將countn源程序中的語句generic(N:integer:=10)改為generic(N:integer:=12即可。方案一、仿照countn重新設(shè)計，好處是可以省掉減法計數(shù)部分的語句，節(jié)省資源；方案二、在通用計數(shù)器countn源程序的基礎(chǔ)上稍作修改，好處是可以簡化程序設(shè)計。

（3）實現(xiàn)——編輯、編譯、仿真、編程（4）運行——測試、改進(jìn)、總結(jié)仿真時令dir為高電平。圖中可以看出，由于dir=‘1’，N=12，這時countn就變成一個十二進(jìn)制加法計數(shù)器。課后作業(yè)：按照“構(gòu)思、設(shè)計、實現(xiàn)、運行”的步驟，完成初值為5的六進(jìn)制減法計數(shù)器設(shè)計。課堂練習(xí)：按照“構(gòu)思、設(shè)計、實現(xiàn)、運行”的步驟，設(shè)計一個初值為2的五進(jìn)制雙向計數(shù)器。工作任務(wù)：1.分頻器概念2.通用分頻器設(shè)計3.占空比50%的奇數(shù)分頻器設(shè)計8-3分頻器的VHDL設(shè)計1.分頻器概念分頻器功能：把頻率較高的信號變成頻率較低的信號。分頻器參數(shù)：分頻系數(shù)：rate=fin/fout

占空比：輸出脈沖持續(xù)高電平的時間：周期。分頻器種類：偶數(shù)分頻器、奇數(shù)分頻器、占空比可調(diào)的分頻器。clkinclkout分頻器2.設(shè)計舉例——通用分頻器設(shè)計要求：分頻系數(shù)可調(diào)，占空比為可調(diào)（占空比為50%時分頻系數(shù)不能是奇數(shù)）。構(gòu)思：

假設(shè)，分頻系數(shù)為n，占空比為m:n（m,n為正整數(shù)，且m<n；m:n=50%時n不能為奇數(shù)）。方案一、用硬件搭接，缺點是電路復(fù)雜，焊點多，可靠性、靈活性差；

方案二、用單片機(jī)實現(xiàn)，雖然靈活性較好，但速度慢；

方案三、用硬件描述語言（HDL)編程，用可編程邏輯器件（PLD）實現(xiàn)，好處是可靠性高、靈活性好。clkinclkout分頻器2.設(shè)計舉例——通用分頻器設(shè)計：采用方案三例如，設(shè)計占空比為30%的10分頻器，其輸入輸出波形如下圖所示?？梢钥闯?，輸出1個周期=輸入信號的10個周期，前3個輸入周期，輸出高電平；后7個輸入周期，輸出低電平。

方法：設(shè)計一個摸數(shù)為分頻系數(shù)n的計數(shù)器，對輸入時鐘脈沖計數(shù)，當(dāng)計數(shù)值為0~m-1時，輸出高電平；計數(shù)值為m~n-1時，輸出低電平。

源程序：見下頁通用分頻器的VHDL源程序libraryieee;useieee.std_logic_1164.all;useieee.std_logic_unsigned.all;useieee.std_logic_arith.all;entityfdivnisgeneric(n:integer:=10;m:integer:=3);--n為分頻系數(shù)，占空比m:n；占空比=50%時n不能為奇數(shù)port(clkin:INstd_logic;clkout:OUTstd_logic);endfdivn;architectureaoffdivnissignalcnt:integerrange0ton-1;--定義中間信號（這里為么不用變量？信號與變量有何不同？）beginprocess(clkin)beginif(clkin'eventandclkin='1')thenif(cnt<n-1)thencnt<=cnt+1;elsecnt<=0;endif;endif;endprocess;clkout<='1'whencnt<melse'0';enda;從波形圖可以看到，clkout是clkin的10分頻，且占空比為3:10，即30%。修改上述程序中g(shù)eneric類屬變量m和n的參數(shù)值，即可得到不同分頻系數(shù)和占空比的分頻器。實現(xiàn)：編輯、編譯、仿真、編程運行：測試、改進(jìn)、總結(jié)做做看——設(shè)計一個占空比40%的5分頻器做做看——設(shè)計占空比40%的5分頻器構(gòu)思：因分頻系數(shù)為5，占空比40%，故取n=5,m=2。設(shè)計：修改fdivn中g(shù)eneric類屬變量m和n的參數(shù)值，令n=5,m=2。實現(xiàn)：修改程序并存盤，編譯、仿真。

3.學(xué)中做——占空比50%的奇數(shù)分頻器設(shè)計設(shè)計要求：分頻系數(shù)為奇數(shù)，占空比50%構(gòu)思：

分析：因為計數(shù)器模數(shù)為奇數(shù)，占空比為50%，所以計數(shù)器輸出的前半個周期和后半個周期所包含的輸入時鐘的周期數(shù)不是整數(shù)。例如，5分頻器，clkout的前半個周期包含2.5個clkin周期，后半個周期包含2.5個clkin周期。方案：設(shè)計兩個摸為分頻系數(shù)的計數(shù)器，一個對輸入時鐘的上升沿計數(shù)，另一個對輸入時鐘的下降沿計數(shù)，然后把這兩個計數(shù)器的輸出接到“或門”的輸入，“或門”的輸做分頻器的輸出clkout。設(shè)計：

源程序：占空比為50%的奇數(shù)分頻器 占空比為50%的奇數(shù)分頻器VHDL源程序libraryieee;useieee.std_logic_1164.all;useieee.std_logic_unsigned.all;useieee.std_logic_arith.all;entityfdivoisgeneric(N:integer:=5);--分頻系數(shù)=N，N是奇數(shù)port(clkin:instd_logic;clkout:outstd_logic);endfdivo;architectureaoffdivoissignalcnt1,cnt2:integerrange0toN-1;beginprocess(clkin)beginif(clkin'eventandclkin='1')then--上升沿計數(shù)if(cnt1<N-1)thencnt1<=cnt1+1;else cnt1<=0; endif;