基于verilog的分频器设计（奇偶分频原理及其电路实现：上）

在一个数字系统中往往需要多种频率的时钟脉冲作为驱动源，这样就需要对FPGA的系统时钟（频率太高）进行分频。分频器主要分为奇数分频，偶数分频，半整数分频和小数分频，在对时钟要求不是很严格的FPGA系统中，分频器通常都是通过计数器的循环来实现的。

偶数分频：假设为N分频，由待分频的时钟触发计数器计数，当计数器从0计数到N/2-1时，输出时钟进行翻转，并给计数器一个复位信号，使得下一个时钟从零开始计数。以此循环下去。这种方法可以实现任意的偶数分频。如图所示，两个D触发器级联实现四分频电路，原理：来一个时钟脉冲,D端数据就被送到输出端Q,同时输出一个反向数据到Q非端，下一个时钟脉冲到,重复上面过程,但数据己被取反，由此每两个时钟，Q端数被取反一次，由此得到二份频，继而得到四分频。

Tips: D触发器的工作原理（验证其状态不变，可先假定初值为0或为1，根据逻辑关系分析）

D触发器的状态表：CP为时钟，R为置零端，S为置1端，D为信号输入端，输出信号有Q。

实现D触发器功能的verilog代码为

module D(q,qn,d,cp,r,s);
output q,qn; //D  触发器的两个输出
input d,cp,r,s; //D  触发器的四个输入
reg q,qn; // 输出寄存器
always@(posedge cp)  //在 在 cp  的上升沿触发
begin
if({r,s}==2'b01) // 判断是否有 r=0,s=1
begin
q=1'b0;
qn=1'b1;
end
else if({r,s}==2'b10) // 判断是否有 r=1,s=0
begin
q=1'b1;
qn=1'b0;
end
else if({r,s}==2'b11) // 判断是否有 r=1 ，s=1
begin
q=d;
qn=~d;
end
end
endmodule

对于分频系数为10的分频器，本例的输入时钟系统50M时钟（clk_50M)，输出为十分频时钟（f_50)。设置一个3位的计数器，当计时寄存器到4（10/2-1）时，将输出分频信号取反即可得到10分频的输出。下图分别为功能仿真和时序仿真（存在延迟）

module fengping_2(clk_50M,f_10);
input clk_50M; // 系统输入时钟，50M ，周期 20ns
output f_10;  //10  分频输出，5M
reg f_10;  // 输出寄存器
reg[2:0] cnt;  // 计数寄存器
always@(posedge clk_50M) // 每个时钟周期的上升沿触发，
// 执行 begin_end  中的语句
begin
if(cnt==3'b100)  // 判断 cnt  是否为 4, 是的话执行以下程序
begin
f_10<=~f_10; //把 把 f_10  取反
cnt<=3'b0;  // 计数寄存器清零
end
else //cnt  没到 4 ，执行以下程序
begin
cnt<=cnt+3'b1;// 计数寄存器自加一
end
end
endmodule

奇数分频：首先，完全可以通过计数器来实现，如进行三分频，通过待分频时钟上升沿触发计数器进行模三计数，当计数器计数到邻近值进行两次翻转，比如可以在计数器计数到1时，输出时钟进行翻转，计数到2时再次进行翻转。即是在计数值在邻近的1和2进行了两次翻转。这样实现的三分频占空比为1/3或者2/3。如果要实现占空比为50%的三分频时钟，可以通过待分频时钟下降沿触发计数，和上升沿同样的方法计数进行三分频，然后下降沿产生的三分频时钟和上升沿产生的时钟进行相或运算，即可得到占空比为50%的三分频时钟。这种方法可以实现任意的奇数分频。归类为一般的方法为：对于实现占空比为50%的N倍奇数分频，首先进行上升沿触发进行模N计数，计数选定到某一个值进行输出时钟翻转，然后经过（N-1）/2再次进行翻转得到一个占空比非50%奇数n分频时钟。再者同时进行下降沿触发的模N计数，到和上升沿触发输出时钟翻转选定值相同值时，进行输出时钟时钟翻转，同样经过（N-1）/2时，输出时钟再次翻转生成占空比非50%的奇数n分频时钟。两个占空比非50%的n分频时钟相或运算，得到占空比为50%的奇数n分频时钟。

module fenpin(
  input  i_clk,
  input  i_rst_n,
   
  output o_clk
);
  
// log2(3) = 1.5850 <= 2  
reg [1:0] cnt_p;                        // 上升沿计数子
  
// 3位上升沿计数器: 0 ~ 2
always @ (posedge i_clk, negedge i_rst_n)
begin
  if (!i_rst_n)
    cnt_p <= 0;
  else
    begin
    if (cnt_p == 2)            //2=3-1
      cnt_p <= 0;
    else
      cnt_p <= cnt_p + 1'b1;
    end
end
 
// log2(3) = 1.5850 <= 2  
reg [1:0] cnt_n;                        // 下降沿计数子
 
// 3位下降沿计数器: 0 ~ 2
// 2 = 3 - 1
always @ (negedge i_clk, negedge i_rst_n)
begin
  if (!i_rst_n)
    cnt_n <= 0;
  else
  begin
    if (cnt_n == 2)                  //2=3-1
      cnt_n <= 0;
    else
      cnt_n <= cnt_n + 1'b1;
  end
end
  
 
reg o_clk_p;                            // 上升沿时钟输出寄存器
 
// 输出上升沿时钟
// 0     ~ 1 ↑-> 1
// (1+1) ~ 2 ↑-> 0
// 1 = 3>>1
// 2 = 3 - 1
always @ (posedge i_clk, negedge i_rst_n)
begin
  if (!i_rst_n)
    o_clk_p <= 0;
  else
  begin
    if (cnt_p <= 1)                     // 1 = 3>>1 ,右移相当于除以2
      o_clk_p <= 1;
    else
      o_clk_p <= 0;
  end
end
  
reg o_clk_n;                            // 下降沿时钟输出寄存器
 
// 输出下降沿时钟
// 0     ~  1 ↓-> 1
// (1+1) ~  2 ↓-> 0
// 1 = 3>>1
// 2 = 3 - 1
always @ (negedge i_clk, negedge i_rst_n)
begin
  if (!i_rst_n)
    o_clk_n <= 0;
  else
  begin
    if (cnt_n <= 1)                     // 1 = 3>>1 
      o_clk_n <= 1;
    else
      o_clk_n <= 0;
  end
end
 
assign o_clk = o_clk_n & o_clk_p;       // 按位与(作用:掩码)
  
endmodule