FPGA—DCM—数字时钟管理器.doc

数字时钟管理器一、 设计目的1、 学习设计IP Core，并在使用中体会器便利性；2、 利用IP Core的方式设计一个数字时钟管理器（Digital Clock Manager）。二、 设计原理1、 DCM概述DCM提供了一个完整的可以供片内和片外使用的时钟发生器。DCM使用完全数字延迟线技术，允许高精度地控制时钟的相位和频率；使用完全的数字反馈系统，可以动态补偿由于温度和电压偏移引起的时钟相位和频率的偏差。DCM主要具有以下四项特点：数字时钟使同步、数字频率合成、数字相位移动、数字频谱调制。2、Spartan-3E系列器件DCM模块的引出端口说明Spartan-3E系列器件DCM模块，引出端示意如图1所示。图1 DCM的引出端下面对DCM模块的信号作一些简要说明：CLKIN：输入时钟，是DCM的基准时钟信号。CLKFB：反馈时钟输入，必须是来自CLK0或CLK2X的时钟。RST：复位信号。DSSEN：数字扩频使能控制。高电平允许。PSCLK：动态相位移动时钟，只有在动态调相时才有用。PSEN：动态相位移动使能控制。高电平允许。PSINCDEC：动态相位移动增加或减小控制。高电平，增加相位移动，低电平减小相位移动。CLK0、CLK90、CLKl80、CLK270：是DCM的输出时钟，它们与CLKIN的相位差分别固定是0度、90度、180度、270度。在低频模式下，这4个输出都有效；在高频模式下，只有CLKl80输出有效。当DCM的属性DLLFREQI厄NCY_MODE设为HIGH，即为高频模式，设置为LOW即为低频模式。CLK2X：DCM的输出时钟，频率是CLKIN的2倍频。CLK2X180：DCM的输出时钟，与CLK2X同频率，相位差180度。CLKDV：DCM的输出时钟，是CLK0的分频输出，分频倍数可以设置为1.5，2，2.5，3，3.5，4，4.5，5，5.5，6，6.5，7，7.5，8，9，10，11，12，13，14，15，16。CLKFX：DCM频率合成器的输出，可以是CLKIN频率的任意倍频或分频。CLKFXl80：DCM频率合成器的输出，与CLKFX的频率相同，相位差180度。LOCKED：DCM输出的标志信号，当DCM的锁相环成功实现锁相后，LOCKED输出高电平。只有在LOCKED=1时，DCM的所有输出时钟才是稳定可靠的。STATUS7:0：DCM输出的状态标志信号。当STATUS0=1，表示相位移动溢出；当STATUS1=1，表示CLKIN停止，STATUS2:7没用。PSDONE：DCM的输出标志信号，表示动态调相完成。对固定调相模式无用。三、 设计步骤1、 建立工程建立名为DigitalClockManager的VHDL工程文件，如图：图1 建立工程点击Next，然后点击Finish即可。之后再建立名为DCM_Module的VHDL文件，以实现对IP Core的调用。2、 选择IP Core的类型及型号（1）新建名为DCM的IP核文件，如图：图2 建立IP核（2）选择IP Core类型和型号图3 选择IP Core类型3、 DCM参数设置（1）打开IP Core的参数设置窗口的第一页，并进行参数选择。图4 DCM参数设置页面1（2）单击【Next】，进入参数设置页面2，进行时钟缓冲器的设置。图5 DCM参数设置页面2（3）单击【Next】，进入参数设置页面2。图6 DCM参数设置页面34、在DCM_Module文件中编写DCM的调用代码，然后进行综合，综合无误后编写激励文件进行仿真并分析。四、 仿真结果1、 仿真分析图7 仿真波形图仿真波形图从上至下依次为：CLK_IN时钟，复位信号RST，反馈输入CLKIN_IBUFG，DCM的输出为CLK0，CLK90，CLK2X，CLKDV，CLKFX以及LOCKED信号。输入时钟CLKIN的频率是50MHz；当实现锁相后，LOCKED输出高电平，然后DCM的输出时钟才有效；所有的输出时钟相对输入时钟CLK_IN，相位移动(32/256)*20ns=2.5ns，可见PHASE_SHIFT的参数对所有输出时钟的影响是相同的；CLK2X的频率是100MHz，即是CLKIN频率的2倍；由于设置了CLKFX_MULTIPLY=4，CIKFX_DIVIDE=1，则CLKFX的频率是50*4=200MHz，即是CLK_IN的4倍；由于分频参数CLKDV_DIVIDE默认为2，所以CLKDV的频率是50/2=25MHz。五、 思考题数字时钟管理器DCM，具有时钟使同步、频率合成、相位移动、频谱调制等功能。“时钟使同步可以用来减小FPGA片内以及片外的时钟延时偏差；频率合成器允许用较低频率的输入时钟产生高达420MHz的输出时钟，可以降低高速时钟在PCB板上走线造成的信号畸变；移相器可以产生高精度的固定或动态相位移动；数字扩频逻辑可以对1x输出时钟进行频谱调制。所有这些功能都是数字可编程精确控制的，比传统的分立锁相环等方法更加方便、灵活、可靠。使用IP Core的设计方法可以大大优化我们的程序设计，并且也比程序写出的分频代码更加的准确可靠。六、 代码1、顶层代码：timescale 1ns / 1psmodule DCM_module(CLK_IN,RST,CLKIN_IBUFG,CLK0,CLK90,CLK2X,CLKDV,CLKFX,LOCKED);input CLK_IN,RST,CLKIN_IBUFG;output CLK0,CLK90,CLK2X,CLKDV,CLKFX,LOCKED;wire CLK0,CLK90,CLK2X,CLKDV,CLKFX,LOCKED;DCM DCM(.CLKIN(CLK_IN),.RST(RST),.CLKFB(CLKIN_IBUFG),.CLK0(CLK0),.CLK90(CLK90),.CLK2X(CLK2X),.CLKDV(CLKDV),.CLKFX(CLKFX),.LOCKED(LOCKED);endmodule2、激励文件：timescale 1ns / 1psmodule DCM_test;/ Inputsreg CLK_IN;reg RST;reg CLKIN_IBUFG;/ Outputswire CLK0;wire CLK90;wire CLK2X;wire CLKDV;wire CLKFX;wire LOCKED;/ Instantiate the Unit Under Test (UUT)DCM_module uut (.CLK_IN(CLK_IN), .RST(RST), .CLKIN_IBUFG(CLKIN_IBUFG), .CLK0(CLK0), .CLK90(CLK90), .CLK2X(CLK2X), .CLKDV(CLKDV), .CLKFX(CLKFX), .LOCKED(LOCKED);in