Vivado使用实战案例：PWM信号生成电路设计-育师

从零开始用FPGA生成PWM：Vivado实战手记

你有没有试过在FPGA上点亮一个LED，却发现它只能“全亮”或“全灭”，没法像调光台灯那样平滑过渡？
或者想控制电机转速，却受限于微控制器的定时器资源，无法实现多路独立输出？

其实，解决这些问题的关键，就是脉宽调制（PWM）。而最灵活、最高效的实现方式之一，正是借助Xilinx的Vivado平台，在FPGA中用硬件逻辑直接构建PWM发生器。

今天，我们就以一款常见的Artix-7开发板为背景，带你一步步从创建工程到下载运行，亲手打造一个可动态调节占空比的PWM信号发生器。不讲空话，全程实操，连仿真波形和常见坑点都给你列清楚了。

为什么选择FPGA来做PWM？

在进入正题之前，先回答一个问题：既然STM32、Arduino都能生成PWM，为什么还要费劲用FPGA？

因为FPGA不一样——它是真正的并行系统。

MCU靠中断+定时器生成PWM，本质是“时间片轮询”，存在延迟；
FPGA则是纯硬件电路，所有操作同步进行，响应速度达到纳秒级；
更重要的是，你可以同时生成几十路互不干扰的PWM通道，每一路频率、相位、占空比都可以独立配置；
而且还能无缝集成到更大的数字系统中，比如做电机驱动、电源管理、音频合成等。

换句话说，MCU是在“模拟”PWM；而FPGA是在“原生生成”PWM。

这就好比用软件播放音乐 vs 用专用音频芯片——体验完全不同。

PWM是怎么“造”出来的？计数器+比较器就够了

别被名字吓到，PWM的核心原理非常简单：用一个不断递增的计数器，去跟目标值比大小，决定输出高低电平。

想象你在跑步机上跑步：
- 每一圈代表一个周期；
- 当你跑的距离小于设定目标时，灯亮；
- 超过目标后，灯灭；
- 目标越靠前，灯亮的时间就越长——这就是占空比的变化。

在FPGA里，这个“跑步过程”由一个N位计数器完成。假设我们使用8位计数器：

计数值： 0 → 1 → 2 → ... → 254 → 255 → 回到0（循环）

如果我们将比较值设为191，那么每当计数器值 < 191 时，输出高电平，否则低电平。这样就得到了约75% 占空比的方波。

📌 公式小贴士：
- PWM频率 = 系统时钟 / (2^N)
（例如：100MHz时钟 + 8位计数器 → 390.625kHz）
- 占空比 = 比较值 / 最大计数值 × 100%

这种结构不仅资源消耗极低（只需要几个触发器和一位比较逻辑），而且完全同步，抗干扰能力强，非常适合上板验证。

手把手教你用Vivado搭出PWM模块

第一步：创建工程，选对器件

打开Vivado，点击“Create Project”：

给项目命名（如pwm_demo）；
选择“RTL Project”，勾选“Do not specify sources at this time”；
添加器件型号——如果你用的是Digilent Nexys A7或Basys 3，就选xc7a35tcpg236-1（Artix-7系列）；
完成创建。

⚠️ 提示：务必确认你的开发板实际使用的FPGA型号，避免引脚不匹配导致下载失败。

第二步：写Verilog代码 —— 核心就在两个always块

新建一个Verilog文件pwm_generator.v，内容如下：

module pwm_generator #( parameter CNT_WIDTH = 8 )( input clk, input rst_n, input [CNT_WIDTH-1:0] duty_setting, output reg pwm_out ); localparam MAX_COUNT = (1 << CNT_WIDTH) - 1; reg [CNT_WIDTH-1:0] counter; // 计数器：自动循环递增 always @(posedge clk or negedge rst_n) begin if (!rst_n) counter <= 0; else if (counter == MAX_COUNT) counter <= 0; else counter <= counter + 1; end // 输出逻辑：比较当前计数值与设定值 always @(posedge clk or negedge rst_n) begin if (!rst_n) pwm_out <= 0; else pwm_out <= (counter < duty_setting); end endmodule

📌 关键设计说明：
- 使用参数化设计（parameter CNT_WIDTH），方便后续扩展为10位、12位高精度PWM；
- 所有逻辑均为同步设计，复位信号也尽量采用同步释放处理（建议外加去抖）；
-(counter < duty_setting)是关键判断条件，无需额外状态机，简洁高效。

写Testbench验证功能：别跳过这一步！

很多初学者喜欢跳过仿真，直接烧进板子看结果。但问题是——一旦出错，你就分不清是代码问题、约束问题还是接线问题。

所以，仿真必须做。

新建测试文件tb_pwm.v：

`timescale 1ns / 1ps module tb_pwm; parameter CNT_WIDTH = 8; localparam CLK_PERIOD = 10; // 100MHz reg clk; reg rst_n; reg [7:0] duty_setting; wire pwm_out; // 实例化待测模块 pwm_generator #(.CNT_WIDTH(CNT_WIDTH)) uut ( .clk(clk), .rst_n(rst_n), .duty_setting(duty_setting), .pwm_out(pwm_out) ); // 生成时钟 initial begin clk = 0; forever #(CLK_PERIOD/2) clk = ~clk; end // 测试流程 initial begin rst_n = 0; duty_setting = 8'd0; #20 rst_n = 1; // 释放复位 // 测试不同占空比 duty_setting = 8'd64; // ~25% #1000; duty_setting = 8'd128; // ~50% #1000; duty_setting = 8'd192; // ~75% #1000; $finish; end endmodule

在Vivado中点击Run Simulation > Run Behavioral Simulation，你会看到类似下面的波形：

clk _|‾|_|‾|_|‾|_|‾|... rst_n ________|‾‾‾‾‾‾‾‾‾... duty_set XXXXX 64 -> 128 -> 192 pwm_out ___|¯¯¯¯¯¯¯|___|¯¯¯¯|... （脉宽逐渐变宽）

✅ 验证要点：
- 复位期间输出是否为低？
- 切换占空比后，下一个周期是否立即生效？
- 波形周期是否稳定？宽度是否符合预期？

只有仿真通过，才能放心综合。

上板实操：让LED呼吸起来

添加XDC约束文件：告诉工具“哪个信号连哪根线”

新建pwm.xdc文件，加入以下内容（以Basys3为例）：

set_property PACKAGE_PIN G14 [get_ports pwm_out] # 连接到LED0 set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports pwm_out] set_property PACKAGE_PIN W5 [get_ports clk] # 板载100MHz时钟 set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports clk]

🔍 注意事项：
- 引脚名称需参考开发板用户手册；
- 若未正确绑定引脚，Vivado会报[DRC NSTD-1]警告；
- 建议统一命名风格，避免大小写混淆。

综合 → 实现 → 生成比特流 → 下载

四个步骤一气呵成：
1.Synthesis：检查语法错误，生成逻辑网表；
2.Implementation：布局布线，分配物理资源；
3.Generate Bitstream：产出.bit文件；
4. 打开Hardware Manager，连接JTAG，下载程序。

几分钟后，你会发现板上的LED不再是闪烁，而是呈现出明显的亮度变化！

常见问题排查清单（亲测有效）

现象	可能原因	解决方法
LED完全不亮	引脚未约束或反了	检查XDC中`get_ports`拼写，确认是`pwm_out`不是`pwm_out[0]`
亮度不变	`duty_setting`固定为0或255	在testbench中增加打印`$display("Duty: %d", duty_setting);`
频率异常高	计数器位宽写错	检查`MAX_COUNT`是否等于`2^N - 1`，防止符号扩展
仿真卡住不结束	缺少`$finish`	务必在激励末尾添加终止语句
多次修改无效	输入信号未同步	加入同步寄存器链防亚稳态

💡 秘籍一条：
如果你想让占空比平滑变化（比如做一个“呼吸灯”），可以在顶层模块里加个计数器，缓慢改变duty_setting的值：

reg [7:0] cnt_up_down = 0; reg up = 1'b1; always @(posedge clk) begin if (up) cnt_up_down <= cnt_up_down + 1; else cnt_up_down <= cnt_up_down - 1; if (cnt_up_down == 255) up <= 0; if (cnt_up_down == 0) up <= 1; end assign duty_setting = cnt_up_down;

这样就能看到LED像呼吸一样明暗交替了。