基于FPGA的數(shù)控分頻器設(shè)計

1.引言

分頻器是數(shù)字系統(tǒng)中非常重要的模塊之一，被廣泛應(yīng)用于各種控制電路中。在實際中，設(shè)計人員往往需要將一個標(biāo)準(zhǔn)的頻率源通過分頻技術(shù)以滿足不同的需求。常見的分頻形式主要有：偶數(shù)分頻、奇數(shù)分頻、半整數(shù)分頻、小數(shù)分頻、分?jǐn)?shù)分頻。在某些嚴(yán)格的情況下，還有占空比的要求。其中非等占空比的偶數(shù)分頻器和奇數(shù)分頻器其實現(xiàn)比較容易，但對于半整數(shù)分頻器和占空比為50%的奇數(shù)分頻器實現(xiàn)比較困難。

本文首先介紹了各種分頻器的實現(xiàn)原理，并結(jié)合VHDL硬件描述語言對其進(jìn)行了仿真，最后提出一個可控的通用分頻器的設(shè)計方法，該方法可實現(xiàn)任意分頻，資源消耗低，具有可編程等優(yōu)點。

2.偶數(shù)分頻器

偶數(shù)分頻器比較簡單，即利用計數(shù)器對需要分頻的原始時鐘信號進(jìn)行計數(shù)翻轉(zhuǎn)。

例如：要進(jìn)行M=2N(N為自然數(shù))分頻，當(dāng)計數(shù)值為0~k-1時，輸出高電平，當(dāng)計數(shù)值為k-1~2N-1時輸出低電平，同時計數(shù)值復(fù)位，如此循環(huán)可實現(xiàn)任意占空比的偶數(shù)分頻，其中M和k為預(yù)置數(shù)，可根據(jù)分頻倍數(shù)和占空比的要求進(jìn)行置數(shù)。如圖1所示，當(dāng)k=N時，即可實現(xiàn)占空比為50%的偶數(shù)分頻。

3.奇數(shù)分頻器

任意占空比的奇數(shù)分頻器的實現(xiàn)，其原理與偶數(shù)分頻器類似。但對于占空比為50%的任意奇數(shù)次分頻卻無法用上述相同的方法實現(xiàn)。

下面介紹一種常用的實現(xiàn)方法。

實現(xiàn)原理：采用兩個不同的邊沿觸發(fā)器(一個在上升沿和一個在下降沿)來實現(xiàn)，其細(xì)節(jié)在于實現(xiàn)1/2個原始時鐘周期的時間差。

如圖2所示，進(jìn)行M=2N+1分頻時，k1是在clk上升沿且計數(shù)周期為M變化的信號。當(dāng)計數(shù)器值為0~N時，k1保持低電平，計數(shù)值為N+1~2N時，k1保持高電平。

k2與k1一樣，唯一不同的是：k2是在clk的下降沿變化。最后將k2與k1進(jìn)行或運(yùn)算即可得到占空比50%的任意奇數(shù)分頻器。

4.半整數(shù)分頻器

半整數(shù)分頻器原理如圖3所示[3].主要包括模M計數(shù)器，異或模塊和2分頻模塊三個部分。其設(shè)計思想是：通過異或門和2分頻模塊組成一個改變輸入頻率的脈沖添加電路，即在M-0.5個輸入信號周期內(nèi)產(chǎn)生M個計數(shù)脈沖，并將其中的一個計數(shù)脈沖的周期變?yōu)楹袃蓚€脈沖的周期。而這種改變的具體實現(xiàn)是將原始時鐘信號與2分頻模塊的輸出進(jìn)行異或。

另外，不難發(fā)現(xiàn)此原理圖還可以實現(xiàn)占空比為50%的2M-1倍的奇數(shù)分頻。當(dāng)M=3時，其仿真結(jié)果如圖4所示。原理圖的輸出端口q即為占空比為50%的5分頻，輸出端口C為2.5分頻。

5.數(shù)控通用分頻器的實現(xiàn)

綜上，利用模N計數(shù)器、脈沖添加電路，以及控制模塊即可實現(xiàn)占空比可調(diào)的通用分頻器。在具體設(shè)計過程中可采用層次化的設(shè)計方法。首先，設(shè)計通用分頻器中各組成電路元件，然后通過元件例化的方法，調(diào)用各元件，實現(xiàn)通用分頻器。

其中：

模N計數(shù)器的實現(xiàn)可以采用兩種方式：

一是調(diào)用L P M 庫中的參數(shù)化的計數(shù)器模塊LPM_COUNTER,根據(jù)向?qū)?shù)進(jìn)行設(shè)置，QuartusII會生成相應(yīng)的。vdh計數(shù)文本。為了能夠調(diào)用計數(shù)文本，最后還需要利用VHDL語言對該計數(shù)文本設(shè)計一個例化程序，并將其設(shè)置為頂層文件。二是利用VHDL描述語言實現(xiàn)。

二分模塊是利用D觸發(fā)器來實現(xiàn)的，即將D觸發(fā)器的輸出信號Q反饋回來作為輸入信號，將模N計數(shù)器輸出信號的最高位作為D觸發(fā)器的時鐘信號。

其頂層原理圖如圖5所示。其中a為分頻模式選擇，當(dāng)a=00時進(jìn)行偶數(shù)分頻;當(dāng)a=01時進(jìn)行占空比為非50%奇數(shù)分頻;當(dāng)a=10時進(jìn)行占空比為50%的奇數(shù)分屏;當(dāng)a=11時進(jìn)行半整數(shù)分頻[2].端口M的作用是控制分頻數(shù)。端口K的作用是進(jìn)行偶數(shù)(M=2N)和奇數(shù)(M=2N+1)分頻時，調(diào)節(jié)占空比，當(dāng)k=N時，占空比為50%.

6.結(jié)論

本設(shè)計的最終目的是實現(xiàn)分頻器的通用性和實用性，本設(shè)計中控制端口M、K、以及計數(shù)器N的位寬均采用參數(shù)化設(shè)計思想，用戶根據(jù)需要對其稍加修改就可滿足不同的分頻需求，在一定程度上實現(xiàn)了通用性。