可调时钟频率——IP核PLL/MMCM仿真及上板实验（Vivado）_vivado仿真测试时钟分频代码100hz

一、说明

实现平台：vivado2018.3

实验设备：领航者V2（ZYNQ7020），示波器一台

二、原理

在大多数实验项目中，所需要的时钟频率不尽相同，因此需要根据需求产生特定的时钟频率。

PLL(Phase Locked loop)，锁相环，是一种反馈控制电路。对时钟网络进行系统级的时钟管理和偏移控制，又有时钟倍频、分频、相位偏移和可编程占空比的功能。使用锁相环即可产生我们所需的特定时钟频率。

PLL组成部分：

• 前置分频计数器（D计数器）

• 相位-频率检测器（PFD，Phase-Frequency Detector）电路

• 电荷泵（Charge Pump）

• 环路滤波器（Loop Filter）

• 压控振荡器（VCO,Voltage Controlled Oscillator）

• 反馈乘法器计数器（M计数器）

• 后置分频计数器（O1-O6计数器）

在FPGA中产生锁相环无外乎两种方式：手写锁相环代码和调用IP核。实际使用中调用IP核即可：）。

三、内容

1. 调用Clocking_Wizard IP核，输出4个不同时钟频率或相位的时钟；

2. 产生4个时钟 100MHZ，100MHZ+相位180度，50MHZ以及25MHZ，连接到开发板上4个扩展IO上；

3. 在Vivado中进行仿真以验证结果；

4. 生成比特流文件并将其下载到开发板上，使用示波器来测量时钟频率以验证结果。

四、步骤

1.新建空白工程，添加PLL IP核。在 Vivado 软件的左侧 “Flow Navigator”栏中单击“IP Catalog”，“IP Catalog”按钮以及单击后弹出的“IP Catalog”窗口，在该窗口中搜索Clocking Wizard，结果如下图所示。

2.配置PLL IP核。首先双击“Clocking Wizard”，弹出“Customize IP”窗口界面，如下图所示：

 在“Primitive”选项中选择MMCM或PLL均可，MMCM的功能是PLL的超集，其功能相较于PLL更强，此处选择默认的MMCM即可。在下方的“Input Clock Information”中，将“Primary”时钟的输入频率设置为开发板上的时频频率，此处设置为50MHZ，其他设置保持默认即可。

 3. 输出4个时钟。在IP核界面上方选择“Output Clocks”选项卡，勾选前四个时钟，并分别设置时钟频率为100、100、50和25，其中第二个100MHZ时钟的相移设置为180，,产生我们所需输出的4个时钟，如下图所示。

 其他设置默认即可，最后可查看“Summary”选项卡，看是否设置正确，如下图所示。

 4. 综合IP核。配置完成后，接着选择OK，产生IP核，等待综合完成即可。在Vivado界面下方的Design Runs可以看到红框部分，ip核名称前出现红勾即表示综合完成，如下图所示。

5. IP核例化模板。想要调用例化IP核，查看“Source”窗口中的“IP Source”选项卡中，找到“Instantiation Template”中的“clk_wiz.vio”，如下图所示。

打开“clk_wiz.vio”,找到例化代码复制即可，如下图所示。

五、程序编写 

1.主程序代码编写：

module ip_clk_wiz(
	input			sys_clk,		//系统时钟
	input 			sys_rst_n,		//系统复位，低电平有效
	
	//输出时钟
	output 			clk_100m,		//100Mhz时钟频率
	output			clk_100m_180dge,//100Mhz时钟频率，相位偏移180度
	output			clk_50m,		//50Mhz时钟频率
	output			clk_25m			//25Mhz时钟频率
    );
	
wire 		locked;
 
//例化PLL
  clk_wiz_0 u_clk_wiz_0
   (
    // Clock out ports
    .clk_out1	(clk_100m		),     // output clk_out1
    .clk_out2	(clk_100m_180dge),     // output clk_out2
    .clk_out3	(clk_50m		),     // output clk_out3
    .clk_out4	(clk_25m		),     // output clk_out4
    // Status and control signals
    .reset		(~sys_rst_n		), 	   // input reset IP核默认高电平
    .locked		(locked			),     // output locked
   // Clock in ports
    .clk_in1	(sys_clk		)	   // input clk_in1
	);      	
	
endmodule

 2.TestBench仿真测试代码程序编写：

module tb_ip_clk_wiz();
 
reg 	sys_clk;
reg 	sys_rst_n;
 
wire 	clk_100m;
wire 	clk_100m_180dge;
wire 	clk_50m;
wire	clk_25m;
 
initial begin
	sys_clk = 1'b0;
	sys_rst_n = 1'b0;
	#200
	sys_rst_n = 1'b1;
	#2000
	$stop;
end	
//例化
ip_clk_wiz u_ip_clk_wiz(
	.sys_clk 		(sys_clk),
	.sys_rst_n		(sys_rst_n),
	
	.clk_100m		(clk_100m),
	.clk_100m_180dge(clk_100m_180dge),
	.clk_50m 		(clk_50m),
	.clk_25m		(clk_25m)
);
always #10 sys_clk = ~sys_clk;
endmodule

 六、仿真结果

 如图所示，clk_100m一个周期所用时间是10ns，即100MHZ的时钟频率；可以看到clk_100m_180dge的波形和clk_100m的波形相同，但时钟相位刚好相反，即相位偏移了180度；同理，clk_50m和clk_25m一个周期所用的时间分别为20ns和40ns，即50MHZ和25MHZ的时钟频率，仿真验证正确。

七、上板验证结果

编译工程生成比特流文件后，下载到开发板上。使用示波器探针测量开发板对应管脚，观察对应波形。如下图所示为clk_100m管脚测得的波形，可以看到时钟频率为100MHZ。

 其他时钟的频率如下所示：

clk_100m_180dge:

clk_50m

 clk_25m

 时钟频率均符合预期，上板测试验证正确。