一看就会的奇偶分频电路_三分频电路

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目录

前言

题目

二分频电路

第一步：画波形图

第二步：写状态机

三分频电路——1/3占空比

第一步：画波形图

第二步：写状态机

三分频电路——1/2占空比

第一步：画波形图

第二步：写状态机

4/5/6/7...分频电路

第一步：画波形图

总结

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前言

最近又到了招聘季，招聘就离不开笔试面试，而在笔试面试过程中经常出现的一道题就是写出分频电路的verilog代码（以及电路图？），因此在这篇文章里，我们使用一个公式将所有分频电路套进去，以便于在考场上和仿真工具中轻松实现分频电路。

题目

实现2/3/4/5分频电路，给出一个模板：

module clk_div(reset,clk_in,clk_out)
input reset ;
input clk_in ;
output clk_out ;
 
  //#功能实现模块
 
endmodule

二分频电路

第一步：画波形图

分频电路是将原始信号频率分成频率更小的衍生信号，信号频率变为二分之一，也就意味着周期变为2倍，因此直接将原本的2个周期所占用的时间现在变为一个周期，即可以生成一个二分频的信号。之所以采用波形图是因为波形图的直观性便于理解和思考，相对于抽象的代码和难以理解的电路图来说。

第二步：写状态机

按照三段式状态机的标准写法（以往文章有过介绍），写一个序列发生器，产生我们想要的信号。在二分频电路里，我们实际上是想实现重复的01信号的产生，这就是最简单的序列发生器。

//#功能实现模块
//三段式状态机
 
//状态声明
parameter s0 = 0 ;
parameter s1 = 1 ;
 
reg cs,ns
always@(posedge clk_in) begin
  if (reset)
    cs <= s0;
  else
    cs <= ns;
end
 
//状态改变
always@(*) begin
  case(cs)
    s0: ns = s1 ;
    s1: ns = s0 ;
end
 
//输出
always@(*) begin
  case(cs)
    s0: clk_out = 0 ;
    s1: clk_out = 1 ;
end

在二分频电路中产生的是循环的01信号，所以状态机只需要2个状态。二分频电路就这样产生了，接下来看三分频。

三分频电路——1/3占空比

第一步：画波形图

如上图所示，三分频电路即就是将原始clk信号三个周期的时间，变为新信号clk_out_3的一个周期。我们常见的周期信号都是占空比1/2的信号，但是在上图中我们可以看到三分频电路可以分为两种，一种就是1/2占空比（1.5，1.5？），而另一种就是1/3占空比的三分频信号（001，010，100）。按照本文的公式，后者这种规则的循环序列信号很容易产生。由易向难，我们先看1/3占空比的三分频电路。

第二步：写状态机

//#功能实现模块
//三段式状态机
 
//状态声明
parameter s0 = 0 ;
parameter s1 = 1 ;
parameter s2 = 2 ;
 
reg [1:0]cs,ns
 
always@(posedge clk_in) begin
  if (reset)
    cs <= s0;
  else
    cs <= ns;
end
 
//状态改变
always@(*) begin
  case(cs)
    s0: ns = s1 ;
    s1: ns = s2 ;
    s2: ns = s0 ;
end
 
//输出
always@(*) begin
  case(cs)
    s0: clk_out = 0 ;
    s1: clk_out = 0 ;
    s2: clk_out = 1 ;
end

要实现三分频电路，那么要产生的序列就是001或者010或100，此时状态机有三个状态，所以需要2位寄存器。简单的1/3占空比三分频电路实现后，现在来看1/2占空比的三分频电路。

三分频电路——1/2占空比

第一步：画波形图

如上图所示，clk_out_3_2即为上面的1/3占空比电路，而现在我们要生成1/2占空比的三分频电路clk_out_3，那么我们就需要在下降沿控制原始信号。但是我们无法使用下降沿和上升沿同时去控制一根信号，所以我们可以使用clk_in的下降沿产生一个010序列信号clk_out_3_1。接下来将clk_out_3_1和clk_out_3_2信号进行或[ | ]操作，即可得到1/2占空比的3分频信号clk_out_3。

第二步：写状态机

//#功能实现模块
//三段式状态机
//上升沿触发
//状态声明
parameter s0 = 0 ;
parameter s1 = 1 ;
parameter s2 = 2 ;
 
reg [1:0]cs,ns
 
always@(posedge clk_in) begin
  if (reset)
    cs <= s0;
  else
    cs <= ns;
end
 
//状态改变
always@(*) begin
  case(cs)
    s0: ns = s1 ;
    s1: ns = s2 ;
    s2: ns = s0 ;
end
 
//输出
always@(*) begin
  case(cs)
    s0: clk_out_1 = 0 ;
    s1: clk_out_1 = 0 ;
    s2: clk_out_1 = 1 ;
end
 
//三段式状态机
//下降沿触发
//状态声明
reg [1:0]cts,nts
 
always@(negedge clk_in) begin
  if (reset)
    cts <= s0;
  else
    cts <= nts;
end
 
//状态改变
always@(*) begin
  case(cts)
    s0: nts = s1 ;
    s1: nts = s2 ;
    s2: nts = s0 ;
end
 
//输出
always@(*) begin
  case(cts)
    s0: clk_out_2 = 0 ;
    s1: clk_out_2 = 1 ;
    s2: clk_out_2 = 0 ;
end
 
//final out
clk_out = clk_out_1 | clk_out_2 ;

4/5/6/7...分频电路

根据上面的模式，我们想实现一个任意分频任意占空比的分频电路已经不是难事了，只要画出波形图，仔细分析想要实现的功能，然后剩下的就只是套用公式了。

第一步：画波形图

四分频电路波形图如下，用2分频电路再2分频即可得到，只需要再次例化二分频电路模块，不用修改模块内部代码即可实现。亦可直接用原始信号写一个具有4种状态的状态机，实现0011序列发生器。当然如果需要实现什么1/4占空比，3/8占空比，那也是被这套公式所支持的。

如下图所示，5分频电路其实就是3分频电路的扩展。使用上升沿实现00011的序列发生器，再使用下降沿实现00110的序列发生器，最后将产生的两个2/5占空比的5分频电路或起来，即可得到1/2占空比的5分频信号clk_out_5。奇分频电路的实现最重要的一点就是使用下降沿触发来实现那0.5，将多出来的这个1分成2个0.5给高电平和低电平。

总结

总的来说，实现奇偶分频电路，只需要套用上述公式，即可轻松得到任意分频任意占空比的分频信号。

最后再次总结一下公式：

1.画波形图 ：偶数分频只需要数好周期数，即可找到中间点。而奇数分频可以先实现简单的接近中点的分频，例如1/3（1.5/3）占空比分频，2/5（2.5/5）占空比分频等等，然后将这个接近1/2占空比的信号利用下降沿平移半个原始信号的周期，即可出现那缺少的0.5，最后再通过或[ | ]得到最终的1/2占空比的信号。

2.写状态机：使用状态机实现序列发生器，通过观察波形图得到想要的是什么序列，然后依据本文中的代码示例状态机的格式和写法进行扩展，主要是状态机的状态个数。

希望这篇文章能够让你对奇偶分频增加更多的了解，欢迎指出错误和互相交流。