一種可控分頻器設(shè)計(jì)的新方法

摘要：本文提出了一種新的可控分頻器設(shè)計(jì)方法--脈沖剔除法，采用該方法可以實(shí)現(xiàn)占空比50％的整數(shù)分頻和近50％占空比的半整數(shù)分頻，分頻系數(shù)由控制端給定。文中給出了N=3時(shí)的分頻電路設(shè)計(jì)，并對(duì)電路進(jìn)行了仿真和測(cè)試，結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：分頻器；占空比；脈沖剔除

引言。隨著數(shù)字電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的不斷發(fā)展，系統(tǒng)的規(guī)模越來(lái)越大，系統(tǒng)內(nèi)的時(shí)鐘也變得越來(lái)越復(fù)雜，這就對(duì)時(shí)鐘脈沖提出了更高的要求。通常系統(tǒng)內(nèi)部的各種時(shí)鐘信號(hào)是通過(guò)內(nèi)部分頻器獲得的。分頻器按分頻系數(shù)可分為2n冪整數(shù)分頻、任意整數(shù)分頻和小數(shù)分頻。系統(tǒng)內(nèi)部的時(shí)鐘信號(hào)一般可由整數(shù)分頻實(shí)現(xiàn)[1]，鎖相環(huán)等電路需要小數(shù)分頻[2]，半整數(shù)分頻（特殊的小數(shù)分頻，3.5，4.5，5.5……）在雷達(dá)脈沖信號(hào)中有廣泛應(yīng)用[3]。

N分頻器通常是利用N計(jì)數(shù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，也可以采用周期插入的方法[1]，為了獲得50%的占空比，奇數(shù)分頻時(shí)需預(yù)先對(duì)時(shí)鐘脈沖進(jìn)行倍頻[4]，也可以采用雙邊沿觸發(fā)器構(gòu)成的雙邊沿計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)[5]。

本文給出了一種新的對(duì)半周期進(jìn)行計(jì)數(shù)方法，它以N計(jì)數(shù)器為核心，配合時(shí)鐘反相電路，可配置成分頻系數(shù)為2N、2N-1，且占空比為50%的分頻器，也可配置實(shí)現(xiàn)占空比為 （K為分頻系數(shù)）的半整數(shù)分頻器。

1 設(shè)計(jì)原理

對(duì)于2N分頻，可以方便的用模N的計(jì)數(shù)器與一個(gè) 觸發(fā)器（二分頻器）來(lái)簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)50%占空比的分頻輸出。而對(duì)于2N-1的奇數(shù)分頻，為了獲得50%占空比的輸出信號(hào)，可以采用觸發(fā)前移半個(gè)周期的方式來(lái)剔除半個(gè)脈沖周期，我們稱這種方法為脈沖剔除法。

在計(jì)數(shù)器計(jì)到第N個(gè)脈沖時(shí)，只計(jì)數(shù)半個(gè)脈沖寬度，即把觸發(fā)時(shí)刻前移半個(gè)周期，這樣就可以得到半周期為N-0.5時(shí)鐘的分頻信號(hào)了，圖1給出了五分頻(N=3)的波形示意圖。

計(jì)數(shù)器觸發(fā)邊沿前移可以通過(guò)時(shí)鐘信號(hào)反相來(lái)實(shí)現(xiàn)，時(shí)鐘信號(hào)CP與反相控制信號(hào)Q的異或：

，當(dāng)Q=1時(shí)，，即時(shí)鐘反相。

對(duì)于奇數(shù)分頻，當(dāng)N計(jì)數(shù)器進(jìn)位時(shí)，需對(duì)時(shí)鐘CP進(jìn)行反相，所以反相控制信號(hào)Q可以由以下?tīng)顟B(tài)方程式給出：（1）

若要實(shí)現(xiàn)半整數(shù)分頻，可以在上述2N-1分頻的基礎(chǔ)上把2N-1輸出信號(hào)的2個(gè)邊沿均向前移動(dòng)半個(gè)周期，如圖2所示。這樣輸出信號(hào)的周期變?yōu)椋?/p>

即２N-1-0.5分頻，實(shí)現(xiàn)占空比為

若要實(shí)現(xiàn)2N-0.5的分頻，可在2N分頻的基礎(chǔ)將輸出脈沖的2個(gè)邊沿前移半個(gè)CP時(shí)鐘周期，即可實(shí)現(xiàn)。

綜合前述，利用脈沖周期剔除法可實(shí)現(xiàn)分頻系數(shù)K=2N-Odd-Half×0.5(N = 2、3、4…，Odd = 0、1，Half = 0、1)的50%占空比整數(shù)分頻或 占空比的半整數(shù)分頻。

2 電路實(shí)現(xiàn)

從脈沖周期剔除法原理可知，整數(shù)分頻電路（q=50%）由一個(gè)模N計(jì)數(shù)器、 觸發(fā)器、時(shí)鐘反相控制電路及一個(gè)用于反相的異或門(mén)等構(gòu)成。電路的原理框圖如圖3所示。

圖3中，反相控制電路的邏輯關(guān)系由式（1）給出，模N計(jì)數(shù)器采用模可變計(jì)數(shù)器通過(guò)外部控制來(lái)實(shí)現(xiàn)，或采用可配置計(jì)數(shù)器通過(guò)配置字來(lái)實(shí)現(xiàn)。該分頻器可以方便地用VHDL等硬件描述語(yǔ)言來(lái)描述，并綜合下載到FPGA/CPLD上來(lái)實(shí)現(xiàn)。

考慮到半整數(shù)分頻的情況，我們可以在上述整數(shù)分頻基礎(chǔ)上，適當(dāng)改變時(shí)鐘反相控制電路，增加半整數(shù)分頻控制端（Half），使電路實(shí)現(xiàn)任意整數(shù)、半整數(shù)分頻，分頻系數(shù)為：2N-Odd-Half×0.5，利用異步電路實(shí)現(xiàn)的反相控制電路邏輯圖見(jiàn)圖4。

3 分頻器的仿真與測(cè)試結(jié)果

根據(jù)圖3的電路結(jié)構(gòu)和圖4的控制電路，用VHDL編制了最大分頻系數(shù)為6（計(jì)數(shù)器模N=3）的分頻電路。以Flex10K10為目標(biāo)芯片，利用MaxPlusⅡ進(jìn)行了綜合和仿真，5.5分頻時(shí)的仿真結(jié)果見(jiàn)圖5，時(shí)序分析結(jié)果表明電路可工作在30MHz的頻率下。

把整個(gè)分頻電路配置到Flex10K10芯片中，在12MHz輸入信號(hào)下，進(jìn)行整數(shù)和半整數(shù)分頻測(cè)試，分頻輸出波形如圖6所示。圖6中給出了分頻系數(shù)為6，5.5，5，4.5的分頻結(jié)果，它與設(shè)計(jì)要求是相吻合的。仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果表明分頻器的設(shè)計(jì)方法是正確的。

結(jié)論

本文討論了一種可以實(shí)現(xiàn)整數(shù)和半整數(shù)分頻電路的設(shè)計(jì)方法，即脈沖剔除法，采用脈沖剔除的方法可以實(shí)現(xiàn)占空比為50%的整數(shù)分頻和最接近50%占空比的半整數(shù)分頻。給出了N＝3的分頻電路設(shè)計(jì)，并以Flex10K10為目標(biāo)芯片進(jìn)行了仿真和測(cè)試，結(jié)果完全符合設(shè)計(jì)要求。在一些特殊的場(chǎng)合，這種占空比為50%或接近50%的整數(shù)、半整數(shù)分頻電路是很重要的。

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