【導(dǎo)讀】本文首先介紹了各種分頻器的實(shí)現(xiàn)原理，并在FPGA開發(fā)平臺上通過VHDL文本輸入和原理圖輸入相結(jié)合的方式，編程給出了仿真結(jié)果。最后通過對各種分頻的分析，利用層次化設(shè)計(jì)思想，綜合設(shè)計(jì)出了一種基于FPGA的通用數(shù)控分頻器，通過對可控端口的調(diào)節(jié)就能夠?qū)崿F(xiàn)不同倍數(shù)及占空比的分頻器。
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(shí)際中，設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)現(xiàn)比較困難。
本文首先介紹了各種分頻器的實(shí)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(jì)方法，該方法可實(shí)現(xiàn)任意分頻，資源消耗低，具有可編程等優(yōu)點(diǎn)。
2.偶數(shù)分頻器
偶數(shù)分頻器比較簡單，即利用計(jì)數(shù)器對需要分頻的原始時(shí)鐘信號進(jìn)行計(jì)數(shù)翻轉(zhuǎn)。
例如：要進(jìn)行M=2N（N為自然數(shù)）分頻，當(dāng)計(jì)數(shù)值為0~k-1時(shí)，輸出高電平，當(dāng)計(jì)數(shù)值為k-1~2N-1時(shí)輸出低電平，同時(shí)計(jì)數(shù)值復(fù)位，如此循環(huán)可實(shí)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(shí)，即可實(shí)現(xiàn)占空比為50%的偶數(shù)分頻。
圖1 占空比為50%的4分頻仿真結(jié)果
3.奇數(shù)分頻器
任意占空比的奇數(shù)分頻器的實(shí)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(shí)現(xiàn)。
下面介紹一種常用的實(shí)現(xiàn)方法。
實(shí)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(shí)現(xiàn)，其細(xì)節(jié)在于實(shí)現(xiàn)1/2個原始時(shí)鐘周期的時(shí)間差。
如圖2所示，進(jìn)行M=2N+1分頻時(shí)，k1是在clk上升沿且計(jì)數(shù)周期為M變化的信號。當(dāng)計(jì)數(shù)器值為0~N時(shí)，k1保持低電平，計(jì)數(shù)值為N+1~2N時(shí)，k1保持高電平。
圖2 占空比為50%的5分頻仿真結(jié)果
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(jì)數(shù)器，異或模塊和2分頻模塊三個部分。其設(shè)計(jì)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(jì)數(shù)脈沖，并將其中的一個計(jì)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(shí)現(xiàn)是將原始時(shí)鐘信號與2分頻模塊的輸出進(jìn)行異或。
圖3 半整數(shù)分頻器原理
另外，不難發(fā)現(xiàn)此原理圖還可以實(shí)現(xiàn)占空比為50%的2M-1倍的奇數(shù)分頻。當(dāng)M=3時(shí)，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。
圖4 半整數(shù)分頻器仿真結(jié)果
5.數(shù)控通用分頻器的實(shí)現(xiàn)
綜上，利用模N計(jì)數(shù)器、脈沖添加電路，以及控制模塊即可實(shí)現(xiàn)占空比可調(diào)的通用分頻器。在具體設(shè)計(jì)過程中可采用層次化的設(shè)計(jì)方法。首先，設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)通用分頻器。
圖5 通用分頻器原理圖
其中：
模N計(jì)數(shù)器的實(shí)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(jì)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(jì)數(shù)文本。為了能夠調(diào)用計(jì)數(shù)文本，最后還需要利用VHDL語言對該計(jì)數(shù)文本設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)。
二分模塊是利用D觸發(fā)器來實(shí)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(jì)數(shù)器輸出信號的最高位作為D觸發(fā)器的時(shí)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(shí)進(jìn)行偶數(shù)分頻；當(dāng)a=01時(shí)進(jìn)行占空比為非50%奇數(shù)分頻；當(dāng)a=10時(shí)進(jìn)行占空比為50%的奇數(shù)分屏；當(dāng)a=11時(shí)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(shí)，調(diào)節(jié)占空比，當(dāng)k=N時(shí)，占空比為50%.
6.結(jié)論
本設(shè)計(jì)的最終目的是實(shí)現(xiàn)分頻器的通用性和實(shí)用性，本設(shè)計(jì)中控制端口M、K、以及計(jì)數(shù)器N的位寬均采用參數(shù)化設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)了通用性。
