FPGA零基礎(chǔ)學(xué)習(xí)之Vivado-鎖相環(huán)使用教程

大俠好，歡迎來(lái)到FPGA技術(shù)江湖。本系列將帶來(lái)FPGA的系統(tǒng)性學(xué)習(xí)，從最基本的數(shù)字電路基礎(chǔ)開始，最詳細(xì)操作步驟，最直白的言語(yǔ)描述，手把手的“傻瓜式”講解，讓電子、信息、通信類專業(yè)學(xué)生、初入職場(chǎng)小白及打算進(jìn)階提升的職業(yè)開發(fā)者都可以有系統(tǒng)性學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)。

系統(tǒng)性的掌握技術(shù)開發(fā)以及相關(guān)要求，對(duì)個(gè)人就業(yè)以及職業(yè)發(fā)展都有著潛在的幫助，希望對(duì)大家有所幫助。本次帶來(lái)Vivado系列，鎖相環(huán)使用教程。話不多說(shuō)，上貨。

鎖相環(huán)使用教程

鎖相環(huán)是我們比較常用的IP核之一。PLL的英文全稱是Phase locked loop即鎖相環(huán)，是一種反饋電路。具有分頻、倍頻、相位偏移和占空比可調(diào)的功能。在XILINX 7系列芯片中時(shí)鐘資源包含了時(shí)鐘管理單元CMT，每一個(gè)CMT都是由一個(gè)MMCM和一個(gè)PLL組成。對(duì)于使用者來(lái)說(shuō)，當(dāng)我們實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的分頻時(shí)，設(shè)計(jì)者可以通過(guò)寫代碼的方式來(lái)進(jìn)行分頻，但是對(duì)于復(fù)雜的設(shè)計(jì)，比如倍頻、相位偏移等設(shè)計(jì)時(shí)，寫代碼的方式就顯得力不從心。此時(shí)就體現(xiàn)了學(xué)習(xí)鎖相環(huán)的必要性。接下來(lái)我們一起了解一下鎖相環(huán)的使用。

PLL鎖相環(huán)由以下幾部分組成：前置分頻計(jì)數(shù)器、相位頻率檢測(cè)器電路、電荷泵、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器、反饋乘法器計(jì)數(shù)器和后置分頻計(jì)數(shù)器。在工作室，相位頻率檢測(cè)器檢測(cè)其參考頻率和反饋信號(hào)之間的相位差和頻率差，控制電荷泵和環(huán)路濾波器將相位差轉(zhuǎn)換為控制電壓，壓控振蕩器根據(jù)不同的控制電壓產(chǎn)生不同的振蕩頻率從而影響反饋信號(hào)的相位和頻率。在參考頻率和反饋信號(hào)具有相同的頻率和相位后，就認(rèn)為PLL處于鎖相的狀態(tài)。

本次實(shí)驗(yàn)我們將輸出四個(gè)不同的頻率波形，其中有兩個(gè)相位相差180°。其中四個(gè)頻率分別為100MHZ，30MHZ，10MHZ，10MHZ_180。

接下來(lái)我們首先先新建一個(gè)工程：

首先選擇新建工程，在此之前，新建工程的介紹已經(jīng)給大家詳細(xì)介紹過(guò)了，在此就不在重復(fù)介紹，新建好之后，如下圖：

大家可以在工程總覽中看到工程的信息。

我們?cè)谧髠?cè)菜單欄里面選中IP Catalog

打開之后搜索clock，如下圖：

雙擊打開此選項(xiàng)，彈出如圖界面：

我們需要在此界面做一些配置，IP核的名字我們可以修改，但是要符合起名字的規(guī)則，當(dāng)然也可以不做修改。在時(shí)鐘特征里面，我們保持默認(rèn)選項(xiàng)即可。輸入時(shí)鐘我們需要修改，我們開發(fā)板的晶振是50MHz，所以此處頻率我們改為50MHz。

輸入時(shí)鐘設(shè)置好之后，我們?cè)O(shè)置第二個(gè)配置界面。按照我們提前規(guī)定好的輸出頻率去設(shè)置。

需要添加額外的時(shí)鐘的時(shí)候，在對(duì)應(yīng)的選項(xiàng)前面勾選上，設(shè)置好對(duì)應(yīng)的輸出。clk_out4是10MHz偏移180度的波形，所以在相位偏移選項(xiàng)里面設(shè)置成180度。

其他界面沒有需要設(shè)置的內(nèi)容，我們直接點(diǎn)擊OK即可。然后會(huì)彈出提示框。這個(gè)提示框是確認(rèn)是否給IP核新建路徑，在此我們點(diǎn)擊OK。

此處我們也保持默認(rèn)然后點(diǎn)擊Generate。

生成好之后，在源文件界面會(huì)看到我們生成的IP核。

接下來(lái)我們寫個(gè)頂層文件，調(diào)用一下我們的IP核，然后做個(gè)仿真看一下我們的輸出波形。

頂層代碼如下：

1 module pll( 2 3 input wire clk, 4 input wire rst_n, 5 output wire clk_100m, 6 output wire clk_30m, 7 output wire clk_10m, 8 output wire clk_10m_180, 9 output wire locked 10 ); 11 12 clk_wiz_0 clk_wiz_0_inst 13 ( 14 // Clock out ports 15 .clk_out1(clk_100m), // output clk_out1 16 .clk_out2(clk_30m), // output clk_out2 17 .clk_out3(clk_10m), // output clk_out3 18 .clk_out4(clk_10m_180), // output clk_out4 19 // Status and control signals 20 .reset(~rst_n), // input reset 21 .locked(locked), // output locked 22 // Clock in ports 23 .clk_in1(clk)); // input clk_in1 24 25endmodule

在頂層文件當(dāng)中，我們需要例化我們的IP核，那么我們需要先打開IP Sources，我們會(huì)看到我們新建的IP，然后點(diǎn)開之后會(huì)看到第一個(gè)選項(xiàng)Instantiation template，打開之后又會(huì)看到一個(gè).veo文件，雙擊打開就可以看到我們ip核的例化頭文件。如圖所示：

我們將頭文件直接復(fù)制粘貼到我們的頂層文件當(dāng)中，然后修改括號(hào)里面的端口名。修改好之后就是我們頂層文件的樣子。

接下來(lái)是我們的仿真文件，代碼如下：

1 `timescale 1ns / 1ps 2 3 module pll_tb; 4 5 reg clk; 6 reg rst_n; 7 wire clk_100m; 8 wire clk_30m; 9 wire clk_10m; 10 wire clk_10m_180; 11 wire locked; 12 13 initial begin 14 rst_n = 0; 15 clk = 0; 16 #105; 17 rst_n = 1; 18 #10000; 19 $stop; 20 end 21 22 always #10 clk = ~clk; 23 24 pll pll_inst( 25 26 .clk (clk ), 27 .rst_n (rst_n ), 28 .clk_100m (clk_100m ), 29 .clk_30m (clk_30m ), 30 .clk_10m (clk_10m ), 31 .clk_10m_180 (clk_10m_180), 32 .locked (locked ) 33 ); 34 35 endmodule

代碼編譯沒有問(wèn)題之后，我們打開仿真波形觀察現(xiàn)象：

觀察波形可以看出，在復(fù)位結(jié)束之后的一段時(shí)間內(nèi)，輸出是沒有波形的，在這段時(shí)間，IP核的輸出還不穩(wěn)定，所以看不到波形，在黃色光標(biāo)處，locked信號(hào)拉高，此時(shí)表明輸出穩(wěn)定，我們觀察后續(xù)波形的周期，跟我們定義的頻率正好對(duì)應(yīng)。

審核編輯 ：李倩