1、什么是边沿检测

边沿检测用于检测信号的上升沿或下降沿,通常用于使能信号的捕捉等场景。

2、采用1级触发器的边沿检测电路设计(以下降沿为例)

2.1、设计方法

设计波形图如下所示:




各信号说明如下: 

  • sys_clk:基准时钟信号(这里设定为50MHz,周期20ns)
  • sys_rst_n:低电平有效的复位信号
  • in:输入信号,需要对其进行下降沿检测
  • ~in:输入信号的反相信号
  • in_d1:对输入信号寄存一拍
  • in_neg:得到的下降沿指示信号,该信号为 ind1 && ~in

对上图进行分析:

  • 信号in是我们需要对其进行下降沿检测的信号
  • 信号~in是将信号in反向
  • 信号in_d1是使用寄存器寄存in信号,即对其进行打拍,或者说是同步到系统时钟域下
  • 输入信号开始为高电平,在L2处变为低电平,产生第1个下降沿,在L5出产生第2个下降沿
  • A处为产生的第1个下降沿指示信号,B处为产生的第2个下降沿指示信号

由此我们可以推导出边沿检测信号产生的一般方法:

  • 将需要检测的信号寄存一拍,同步到系统时钟域下,得到信号 in_d1
  • 将需要检测的信号反向,得到信号 ~in
  • 将信号 in_d1 反向,得到信号 ~in_d1
  • 通过组合逻辑电路可以得到下降沿信号 in_neg:assign  in_neg = ~in && in_d1
  • 同样通过组合逻辑电路可以得到上升沿信号 in_pos:assign  in_pos = in && ~in_d1
  • 双边沿检测就是将上两条加(或运算)起来就可以了,化简后有:双边沿信号 in_both = in ^ ind1

2.2、Verilog实现

根据上文分析不难编写Verilog代码如下:

//使用1级寄存器的下降沿检测电路
module detect_1
(
	input		sys_clk,		//时钟(设定为 50MHz)
	input		sys_rst_n,		//复位信号(n 表示低电平有效)
	input		in,				//需要进行下降沿检测的输入信号
	
	output		in_neg			//输出的下降沿指示信号

);		
//reg  定义		
reg		in_d1;					//寄存一拍的信号

assign in_neg = ~in && in_d1;	//组合逻辑得到下降沿
//上升沿: assign in_pos = in && ~in_d1;
//双边沿: assign in_pos = in ^ in_d1;

//寄存模块,将输入信号打一拍
always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)begin
	if(!sys_rst_n)
		in_d1 <= 1'b0;			//复位清零	
	else 
		in_d1 <= in;			//寄存一拍	
end

endmodule

2.3、RTL电路

上图为生成的RTL电路:该电路由一级D触发器+与逻辑门构成。

2.4、Testbench

Testbench文件需要例化刚刚设计好的模块,并设置好激励。

`timescale 1ns/1ns		//时间刻度:单位1ns,精度1ns

module tb_detect_1();	//仿真模块

//输入reg 定义
reg	sys_clk;			
reg sys_rst_n;
reg in;

//输出wire定义
wire in_neg;

//设置初始化条件和输入激励
initial begin
	sys_clk = 1'b0;		//初始时钟为0
	sys_rst_n <= 1'b0;	//初始复位
	in <= 1'b0;			//初始化输入信号
/*****以下部分为设置的激励,以产生2个下降沿*******/
	#10					//10个时间单位后
	sys_rst_n <= 1'b1;  //拉高复位(此时复位无效)
	in <= 1'b1;			//拉高输入
	#20					//20个时间单位后
	in <= 1'b0;  		//拉低输入,制造第1个下降沿
	#80					//80个时间单位后
	in <= 1'b1;  		//拉高输入
	#60					//60个时间单位后
	in <= 1'b0;  		//拉低输入,制造第2个下降沿	
end

//always代表重复进行,#10代表每10个时间单位
//每10个时间单位反转时钟,即时钟周期为20个时间单位(20ns)
always #10 sys_clk = ~sys_clk;	

//例化被测试模块
detect_1 detect_1_inst
(
	.sys_clk 	(sys_clk ), 		
	.sys_rst_n 	(sys_rst_n ), 				
	.in			(in),
	
	.in_neg 	(in_neg) 		
);
	
endmodule

2.5、仿真结果

使用ModelSim执行仿真,仿真出来的波形如所示:

从波形图可以看到:

  • 10ns后停止复位
  • 在第1条参考线处输入信号 in 产生了第1个下降沿信号
  • 在第3条参考线处输入信号 in 产生了第2个下降沿信号
  • 在第1条参考线和第2条参考线之间的产生了一个周期的下降沿指示信号 in_neg
  • 在第3条参考线和第4条参考线之间的产生了一个周期的下降沿指示信号 in_neg




3、采用2级触发器的边沿检测电路(以下降沿为例)




3.1、设计方法

设计波形图如下所示:

各信号说明如下: 

  • sys_clk:基准时钟信号(这里设定为50MHz,周期20ns)
  • sys_rst_n:低电平有效的复位信号
  • in:输入信号,需要对其进行下降沿检测
  • in_d1:对输入信号寄存1拍
  • in_d2:对输入信号寄存2拍
  • ~in_d1:in_d1信号的反相信号
  • in_neg:得到的下降沿指示信号,该信号为 ~ind1 && ind2

对上图进行分析:

  • 信号in是我们需要对其进行下降沿检测的信号
  • 信号in_d1是使用寄存器寄存in信号,即对其打1拍
  • 信号in_d2是使用寄存器寄存in_d1信号,即对其打1拍
  • 信号~in_d1是将信号in_d1反向
  • 输入信号开始为高电平,在L2处变为低电平,产生第1个下降沿,在L5出产生第2个下降沿
  • A处为产生的第1个下降沿指示信号,B处为产生的第2个下降沿指示信号
  • 输出的下降沿指示信号落后下降沿一个时钟周期,这是因为对输入信号进行了寄存以消除亚稳态

由此我们可以推导出边沿检测信号产生的一般方法:

  • 将需要检测的信号分别寄存1拍、2拍,同步到系统时钟域下,得到信号 in_d1、in_d2
  • 将in_d1信号反向,得到信号 ~in_d1
  • 将in_d2信号反向,得到信号 ~in_d2
  • 通过组合逻辑电路可以得到下降沿信号 in_neg:assign  in_neg = ~in_d1 && in_d2
  • 同样通过组合逻辑电路可以得到上升沿信号 in_pos:assign  in_pos = in_d1 && ~in_d2
  • 双边沿检测就是将上两条加(或运算)起来就可以了,化简后有:双边沿信号 in_both = in_d1 ^ in_d2

3.2、Verilog实现

根据上文分析不难编写Verilog代码如下:

//使用1级寄存器的下降沿检测电路
module detect_2
(
	input		sys_clk,		//时钟(设定为 50MHz)
	input		sys_rst_n,		//复位信号(n 表示低电平有效)
	input		in,				//需要进行下降沿检测的输入信号
	
	output		in_neg			//输出的下降沿指示信号

);		
//reg  定义		
reg		in_d1;					//寄存1拍的信号
reg		in_d2;					//寄存2拍的信号	

assign in_neg = ~in_d1 && in_d2;//组合逻辑得到下降沿
//上升沿: assign in_pos = in && ~in_d1;
//双边沿: assign in_pos = in ^ in_d1;

//寄存模块,将输入信号打1拍、打2拍
always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)begin
	if(!sys_rst_n)begin
		in_d1 <= 1'b0;			//复位清零
		in_d2 <= 1'b0;
	end
	else begin
		in_d1 <= in;			//寄存1拍
		in_d2 <= in_d1;			//寄存2拍
	end
end

endmodule

3.3、RTL电路

上图为生成的RTL电路:该电路由2级D触发器+与逻辑门构成。

3.4、Testbench

Testbench文件同2.4章。

3.5、仿真结果

使用ModelSim执行仿真,仿真出来的波形如所示:

从波形图可以看到:

  • 10ns后停止复位
  • 在第1条参考线处输入信号 in 产生了第1个下降沿信号
  • 在第4条参考线处输入信号 in 产生了第2个下降沿信号
  • 在第2条参考线和第3条参考线之间的产生了一个周期的下降沿指示信号 in_neg
  • 在第5条参考线和第6条参考线之间的产生了一个周期的下降沿指示信号 in_neg
  • 两级寄存器构成的边沿检测电路可以有效的防止亚稳态的产生,产生的使能信号会落后一个时钟周期。

4、参考


【从零开始走进FPGA】你想干嘛——边沿检测技术

FPGA的边沿检测

FPGA基础入门篇(四) 边沿检测电路

 ​

Logo

旨在为数千万中国开发者提供一个无缝且高效的云端环境,以支持学习、使用和贡献开源项目。

更多推荐