碎碎念：

这一篇带来的是比较常用的PWM调制器，仿真的波形很好看哟！

感觉之前模块功能说明部分有些简单了，之后会加上专门讲解端口定义的表格！

这里发现了原作者的小bug，稍微有一丢丢成就感，在和人家进行沟通交流ing

目录

1 模块功能

2 模块代码

3 模块思路

4 TestBench与仿真结果

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1 模块功能

输入8比特控制信息，输出对应的脉冲宽度调制信号。具体端口信息如下：

2 模块代码

//------------------------------------------------------------------------------
// pwm_modulator.sv
// Konstantin Pavlov, pavlovconst@gmail.com
//------------------------------------------------------------------------------
 
// INFO ------------------------------------------------------------------------
// Pulse width modulation (PWM) generator module
//
// - expecting 8-bit control signal input by default
// - system clock is 100 MHz by default
// - PWM clock is 1.5KHz by default
//
// - see also pdm_modulator.sv for pulse density modulation generator
 
 
/* --- INSTANTIATION TEMPLATE BEGIN ---
pwm_modulator #(
  .PWM_PERIOD_DIV( 16 )              // 100MHz/2^16= ~1.526 KHz
  .MOD_WIDTH( 8 )                    // from 0 to 255
) pwm1 (
  .clk( clk ),
  .nrst( nrst ),
  .control(  ),
  .pwm_out(  ),
  .start_strobe(  ),
  .busy(  )
);
--- INSTANTIATION TEMPLATE END ---*/
 
module pwm_modulator #( parameter
  CLK_HZ = 100_000_000,
  PWM_PERIOD_DIV = 16,                // must be > MOD_WIDTH
  PWM_PERIOD_HZ = CLK_HZ / (2**PWM_PERIOD_DIV),
 
  MOD_WIDTH = 8                       // modulation bitness
)(
  input clk,                          // system clock
  input nrst,                         // negative reset
 
  input [MOD_WIDTH-1:0] mod_setpoint, // modulation setpoint
  output pwm_out,                     // active HIGH output
 
  // status outputs
  output start_strobe,                // period start strobe
  output busy                         // busy output
);
 
 
// period generator
logic [31:0] div_clk;
clk_divider #(
  .WIDTH( 32 )
) cd1 (
  .clk( clk ),
  .nrst( nrst ),
  .ena( 1'b1 ),
  .out( div_clk[31:0] )
);
// optional setpoint inversion
logic [MOD_WIDTH-1:0] mod_setpoint_inv;
assign mod_setpoint_inv[MOD_WIDTH-1:0] = {MOD_WIDTH{1'b1}} - mod_setpoint[MOD_WIDTH-1:0];
 
 
// pulse generator
pulse_gen #(
  .CNTR_WIDTH( MOD_WIDTH+1 )
) pg1 (
  .clk( div_clk[(PWM_PERIOD_DIV-1)-MOD_WIDTH] ),
  .nrst( nrst ),
 
  .start( 1'b1 ),
  .cntr_max( {1'b0, {MOD_WIDTH{1'b1}} } ),
  .cntr_low( {1'b0, mod_setpoint_inv[MOD_WIDTH-1:0] } ),
 
  .pulse_out( pwm_out ),
 
  .start_strobe( start_strobe ),
  .busy( busy )
);
 
 
endmodule
 

3 模块思路

整个模块的思路，通过外部输入调制的设定值，结合前期提及的脉冲发生器，产生脉宽符合要求的PWM信号。下面开始逐行介绍一下整个的思路。

1.定义端口与参数（34-50行）

这部分就比较简单，用来定义模块使用到的参数以及一些端口信息，具体的功能见上面的表格。

2.实例化时钟分频器（53-62行）

时钟分频器的详细介绍见传送门。用来产生计数后宽度为32的计数值div_clk，可把其中的某一位作为后续脉冲发生器的驱动时钟（妙啊）。

3.可供选择的设定值反转（65-67行）

这里的思路，就是用全为1的变量去减去设定值mod_setpoint，从而获得互补的设定值mod_setpoint_inv。由于设定值就对应了脉宽调制的cntr_low部分，即为高低电平跳变的位置，因此可以理解为修改了占空比为原来的（1-占空比）。

值得注意的是，N位全为1的寄存器，可以表示为{N{1'b1}}，相比手写就方便了不少。

4.实例化脉冲发生器（70-85行）

脉冲发生器的详细介绍见传送门。这里是一个比较重要的地方，有很多值得关注的点。

.CNTR_WIDTH( MOD_WIDTH+1 )

这一句定义了脉冲发生器的CNTR_WIDTH 。结合78-79行，这两行定义了脉冲发生器的cntr_max与cntr_low数值。由脉冲发生器的原理可知，这三个数必须得是相同宽度的，因为涉及到比较大小。在这里MOD_WIDTH+1的操作，就是为了和78-79行在左侧补充的符号位0相匹配。

我的理解是，在本模块pwm_modulator.sv中我定义一个5位的数值，其最大表示到31，但是调用内部模块pulse_gen.sv时，我需要使用有符号数（否则内部因为是减1操作，如果表示范围不足，会导致出现溢出bug），因此需要补充一个符号位。

另一个值得关注的点是这一行代码

  .clk( div_clk[(PWM_PERIOD_DIV-1)-MOD_WIDTH] ),

这句话提供了脉冲发生器需要的时钟信号，同时也表明了PWM_PERIOD_DIV与MOD_WIDTH和所产生的脉冲信号的关系，以及为什么PWM_PERIOD_DIV要大于MOD_WIDTH，我们一个一个说。

在时钟分频器中我们得到，div_clk是一个32位计数器的计数结果，如果计数器的输入时钟（即系统时钟频率）频率是100MHz，也就说明计数器最低位div_clk[0]的变化频率是50MHz，递推可以得到div_clk[1]的变化频率就是25MHz，越高的位上变化频率依次减半。

假设调制后的信号每个脉冲长度是32个单位，那么就对应了MOD_WIDTH=5（即2的5次方是32）。下面来说这里的单位到底指什么，在脉冲发生器我们提到过脉冲的占空比是由内部的计数器决定的，计数器在系统时钟上升沿计数一次，因此一个单位就是一个时钟周期。而在本模块中单位的长度受到PWM_PERIOD_DIV的控制，PWM_PERIOD_DIV - MOD_WIDTH=1，则单位长度是两个系统时钟周期，PWM_PERIOD_DIV - MOD_WIDTH=2，则单位长度是四个系统时钟周期。

回到表达式div_clk[(PWM_PERIOD_DIV-1)-MOD_WIDTH]，其中PWM_PERIOD_DIV越大，则对原始时钟进行了2指数的分频，而MOD_WIDTH的增大，则表明按照2的指数进行倍频，最终决定计数器输入时钟（脉冲发生器输入时钟）的频率。

由于表达式中(PWM_PERIOD_DIV-1)-MOD_WIDTH的计算，这一结果必须是大于等于0的，因此也就决定了PWM_PERIOD_DIV要大于MOD_WIDTH。

这里提到的时钟比较多，读者一定要注意分辨。系统时钟、时钟分频器输出的时钟（派生时钟）并不是等价的，读者一定要注意。

  .cntr_max( {1'b0, {MOD_WIDTH{1'b1}} } ),
  .cntr_low( {1'b0, mod_setpoint_inv[MOD_WIDTH-1:0] } ),

算法核心就是这两行啦，输入的cntr_low的值就决定了输出的每一个脉冲的宽度。 

start_strobe的高电平就标志了每一个脉冲的起点，具体细节可以查看传送门，这个标志也是很关键的。

4 TestBench与仿真结果

//------------------------------------------------------------------------------
// pwm_modulator_tb.sv
// Konstantin Pavlov, pavlovconst@gmail.com
//------------------------------------------------------------------------------
 
// INFO ------------------------------------------------------------------------
// testbench for pwm_modulator.sv module
 
 
`timescale 1ns / 1ps
 
module pwm_modulator_tb();
 
logic clk200;
initial begin
  #0 clk200 = 1'b0;
  forever
    #2.5 clk200 = ~clk200;
end
 
// external device "asynchronous" clock
 
logic rst;
initial begin
  #0 rst = 1'b0;
  #10.2 rst = 1'b1;
  #5 rst = 1'b0;
  //#10000;
  forever begin
    #9985 rst = ~rst;
    #5 rst = ~rst;
  end
end
 
logic nrst;
assign nrst = ~rst;
 
logic rst_once;
initial begin
  #0 rst_once = 1'b0;
  #10.2 rst_once = 1'b1;
  #5 rst_once = 1'b0;
end
 
logic nrst_once;
assign nrst_once = ~rst_once;
 
logic [31:0] DerivedClocks;
clk_divider #(
  .WIDTH( 32 )
) cd1 (
  .clk( clk200 ),
  .nrst( nrst_once ),
  .ena( 1'b1 ),
  .out( DerivedClocks[31:0] )
);
 
// Modules under test ==========================================================
 
localparam MOD_WIDTH = 5;
 
logic [MOD_WIDTH-1:0] sp = '0;
logic [31:0][MOD_WIDTH-1:0] sin_table =
{ 5'd16, 5'd19, 5'd22, 5'd25, 5'd27, 5'd29, 5'd31, 5'd31,
  5'd31, 5'd31, 5'd30, 5'd28, 5'd26, 5'd23, 5'd20, 5'd17,
  5'd14, 5'd11, 5'd8,  5'd5,  5'd3,  5'd1,  5'd0,  5'd0,
  5'd0,  5'd0,  5'd2,  5'd4,  5'd6,  5'd9,  5'd12, 5'd15};
 
logic strobe;
always_ff @(posedge DerivedClocks[0]) begin
  if( ~nrst_once ) begin
    sp[MOD_WIDTH-1:0] <= '0;
  end else begin
    if( strobe ) begin
      sp[MOD_WIDTH-1:0] <= sp[MOD_WIDTH-1:0] + 1'b1;
    end
  end
end
 
pwm_modulator #(
  .PWM_PERIOD_DIV( MOD_WIDTH+1 ),     // MOD_WIDTH+1 is a minimum
  .MOD_WIDTH( MOD_WIDTH )
) pwm1 (
  .clk( clk200 ),
  .nrst( nrst_once ),
 
  .mod_setpoint( sin_table[sp[MOD_WIDTH-1:0]][MOD_WIDTH-1:0] ),
  .pwm_out(  ),
 
  .start_strobe( strobe ),
  .busy(  )
);
 
 
endmodule

经过对核心模块的分析，目前可以得知每次输入应该只能获得一个调制脉冲，那么为了获得多个PWM脉冲，需要由TestBench实现相关的逻辑。

下面开始介绍TestBench的实现原理，主要从第46行及以下的部分开始，值得关注的地方有三处：

1.System Verilog 二维数组（第63行）

参考博客：[SV]SystemVerilog二維數組的初始化和約束

此处构建了一个元素数量是32，每个元素宽度为5的数组，用来作为正弦函数的查找表。注意System Verilog中的数都是一位一位保存的，因此在使用二维数组时，与Python等编程语言对比会些许不同。

2.sp指针（第62行）

学习过计组的同学，应该对指针比较熟悉，这里就是套用了概念。用来标志每个脉冲信号输入的宽度信息mod_setpoint对应的数组元素下标。

3.strobe（69-78行）

由之前的介绍，没发送一个脉冲时，strobe都会输出一个时钟（派生时钟）的高电平信息。这个信号可以作为sp指针递增的控制信号。

在这段代码中，利用always_ff构建了D触发器，每当开始发送新的脉冲时，就会同步增加sp的值。这一部分的代码我发现了作者一个小问题，主要是D触发器的驱动时钟。原始代码中的驱动时钟是系统时钟，这会导致sp在一个strobe高电平时间段内增加两个值，显然是不对的。我修改为了派生时钟DerivedClocks[0]。

在每个脉冲开始的时候，sp递增一次，从而控制本次脉冲的输出受到二维数组中特定数值的控制。

下面给出原始代码的仿真结果以及和我改正后的对比：

可以看到，修改后变得更加流畅了，同时输出的调制脉冲与cntr_low是相互对应的，证明功能正确。SP指示的是本次脉冲的参数，而不是下一个脉冲的参数，这与我们之前的分析也是一致的。

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