Generieren von Impulsfolgen unterschiedlicher Frequenz auf einem FPGA

Was Sie tun möchten, wird als numerisch gesteuerter "Oszillator" oder NCO bezeichnet. Es funktioniert so ...

Erstellen Sie einen Zähler, der um andere Werte als 1 inkrementieren kann. Die Eingaben für diesen Zähler sind die Hauptuhr und ein Wert, um den gezählt werden soll (din). Für jede Taktflanke count <= count + din. Die Anzahl der Bits in din ist die gleiche wie die Anzahl der Bits im Zähler. Der tatsächliche Zählwert kann für viele nützliche Dinge verwendet werden, aber was Sie tun möchten, ist super einfach.

Sie möchten jedes Mal erkennen, wenn der Zähler überrollt, und in diesem Fall einen Impuls an Ihren Motor ausgeben. Tun Sie dies, indem Sie das höchstwertige Bit des Zählers nehmen und es durch ein einzelnes Flip-Flop laufen lassen, um es um einen Takt zu verzögern. Jetzt haben Sie zwei Signale, die ich MSB nennen werde, und MSB_Previous. Sie wissen, ob der Zähler abgelaufen ist, weil MSB=0 und MSB_Prev=1. Wenn diese Bedingung wahr ist, senden Sie einen Impuls an den Motor.

Um die Pulsfrequenz einzustellen, lautet die Formel: pulse_rate = main_clk_freq * inc_value/2^n_bits

Dabei ist inc_value der Wert, um den der Zähler erhöht wird, und n_bits ist die Anzahl der Bits im Zähler.

Es ist wichtig zu beachten, dass das Hinzufügen von Bits zum Zähler den Bereich der Ausgangsfrequenz nicht ändert – das ist immer 0 Hz bis zur Hälfte von main_clk_freq. Aber es ändert die Genauigkeit, mit der Sie die gewünschte Frequenz erzeugen können. Die Chancen stehen gut, dass Sie für diesen Zähler keine 32 Bit benötigen und dass vielleicht nur 10 bis 16 Bit ausreichen.

Diese Methode zum Erzeugen von Impulsen ist gut, weil sie sehr einfach ist, die Logik klein und schnell ist und Frequenzen oft genauer und flexibler erzeugen kann als die Art von Zähler + Komparator-Design, das Sie in Ihrer Frage haben.

Der Grund für die kleinere Logik liegt nicht nur darin, dass Sie mit einem kleineren Zähler auskommen können, sondern Sie nicht die gesamte Ausgabe des Zählers vergleichen müssen. Sie brauchen nur das obere Bit. Außerdem erfordert der Vergleich zweier großer Zahlen in einem FPGA normalerweise viele LUTs. Der Vergleich zweier 32-Bit-Zahlen würde 21 4-Eingangs-LUTs und 3 Logikpegel erfordern, während das NCO-Design 1 LUT, 2 Flip-Flops und nur 1 Logikpegel erfordert. (Ich ignoriere den Zähler, da er im Grunde für beide Designs gleich ist.) Der NCO-Ansatz ist viel kleiner, viel schneller, viel einfacher und liefert bessere Ergebnisse.

Update: Ein alternativer Ansatz zur Herstellung des Überrolldetektors besteht darin, einfach das MSB des Zählers an den Motor zu senden. Wenn Sie dies tun, hat das Signal zum Motor immer ein 50/50-Tastverhältnis. Die Wahl des besten Ansatzes hängt davon ab, welche Art von Impuls Ihr Motor benötigt.

Update: Hier ist ein VHDL-Code-Snippet für den NCO.

signal count :std_logic_vector (15 downto 0) := (others=>'0);
signal inc   :std_logic_vector (15 downto 0) := (others=>'0);
signal pulse :std_logic := '0';

. . .

process (clk)
begin
  if rising_edge(clk) then
    count <= count + inc;
  end if;
end process;

pulse <= count(count'high);

Ich gehe davon aus, dass dies ungefähr das funktionale Verhalten ist, das Sie implementieren möchten:

procedure generate_pulse_train( signal write : in std_logic; 
                                signal pulse : out std_logic;
                                constant t_pulse : time; 
                                signal n_pulses : in natural) is
begin
     wait until write = '1';

     for n in 0 to n_pulses-1 loop
         pulse <= '1';
         wait for t_pulse/2;
         pulse <= '0';
         wait for t_pulse/2;
     end loop;
end procedure;

Wenn Sie keine sehr strengen Anforderungen an das Timing der Impulsuhr haben, würde ich eine einfache Zustandsmaschine empfehlen, um die Impulsfolge zu erzeugen, anstatt die Uhr zu steuern. Um die Frequenz des Takts während der Laufzeit zu ändern, müssten Sie eine konfigurierbare PLL verwenden, aber wenn die Pulstaktfrequenz gleich oder kleiner als der Systemtakt ist, können Sie diese einfach verwenden, um den Pulstakt zu erzeugen.

Ein Beispiel für einen solchen Zustandsautomaten könnte beispielsweise sein:

pr_fsm : process(clk) is
begin
if rising_edge(clk) then
   case state is
       when IDLE =>
           scaler <= pulse_period/2 ;
           pulse_counter <= n_pulses;
           pulse  <= '0';

           if writeF = '1' then
               state <= ACTIVE;
           end if; 

       when ACTIVE =>
           if scaler = 0 then
               scaler <= pulse_length;

               pulse <= not pulse;

               if pulse_counter = 0 then
                   state <= IDLE;
               else
                   pulse_counter <= pulse_counter - 1;
               end if;

           else
               scaler <= scaler - 1;
           end if;
   end case;

end if;
end process pr_fsm;

Sie haben Ihre Uhr torgesteuert, was eine sehr schlechte Sache ist, es sei denn, Sie wissen, was Sie tun. Das gleiche Taktsignal muss an alle Takteingänge Ihrer Schaltungen gehen.

Sie müssen Ihr Impulssignal als Taktfreigabe für Ihren Zähler verwenden - auf diese Weise ist alles synchron und Ihr Zähler zählt immer noch nur, wenn der Impuls hoch ist.

Ihr Impulsgenerator kann mit anderen Geschwindigkeiten unterhalb der Haupttaktgeschwindigkeit betrieben werden, indem ein weiterer Zähler vorhanden ist, der bei jedem Umlauf einen einzelnen taktbreiten Impuls ausgibt. Indem Sie die Endzahl dieses Zählers erhöhen, werden Sie zwischen den Impulsen länger und die Bewegungen Ihres Motors langsamer.

Es gibt eine Reihe von Möglichkeiten, eine Frequenz zu erzeugen, die ein einstellbarer (möglicherweise gebrochener) Teiler eines Eingangstakts ist. Ein beliebter Ansatz, um jeden Bruch von 1/2^N bis 1-(1/2^N) zuzulassen, besteht darin, ein programmierbares N-Bit-Register zur Auswahl der gewünschten Frequenz und ein N-Bit-Register zu haben, das als Phasenakkumulator bezeichnet wird. Addiere bei jedem Taktzyklus den Frequenzwert zum Phasenakkumulator und gib einen Impuls aus, wenn es einen Übertrag gibt. Wenn die Werte 16 Bit sind und der Frequenzwert 573 ist, dann gibt es 573 mehr oder weniger gleich beabstandete Ausgangsimpulse alle 65.536 Eingangsimpulse. Änderungen an der angeforderten Frequenz wirken sich "sanft" auf die Ausgabe aus.

dann hat der Ausgang jedes Mal, wenn der Zähler umbricht, die entsprechende Anzahl von Impulsen gesendet. Beachten Sie, dass bei Verwendung dieses Ansatzes der Ausgang mehr Jitter aufweist als bei dem Phasenakkumulator-Ansatz, aber die Menge an Schaltungen, die für jeden Ausgang erforderlich sind, reduziert werden kann. Beachten Sie auch, dass Änderungen an der programmierten Frequenz mit Zeiten synchronisiert werden sollten, zu denen der Timer umläuft, da sie sonst zu einer Unterbrechung der Ausgabe führen können.

Ein weiterer Ansatz, der eine Art Hybrid zwischen den ersten beiden darstellt, besteht darin, einen Zähler so zu gestalten, dass ein bestimmter Eingang ihn für einen Zyklus "anhält", und eine Schaltung ähnlich der zweiten oben mit dieser Anhalteschaltung zu verbinden . Wenn man einen 8-Bit-Zähler hat, bewirkt der in das Frequenzregister programmierte Wert, dass er alle 256 Mal, wenn der Zähler vorrückt, zwischen einem und 255 Mal anhält, wodurch bewirkt wird, dass die Umbruchrate des Zählers von 256 bis 511 einstellbar ist verwendet man einen 8-Wege-Multiplexer, kann man somit ein Teilungsverhältnis von K/2^N haben, wobei K 256-511 und N 0 bis 7 ist. Beachten Sie, dass "Abgriffe" niedrigerer Ordnung vom Zähler viel Jitter aufweisen, die höherwertigen jedoch viel sauberer sind.