基于FPGA的小數(shù)分頻器的設(shè)計與實現(xiàn)

【摘要】本文首先分析了現(xiàn)有小數(shù)分頻器的優(yōu)缺點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上提出了一種改進(jìn)型小數(shù)分頻器的設(shè)計方法。同時結(jié)合VHDL文本輸入和原理圖輸入方式，在FPGA開發(fā)平臺上進(jìn)行了電路設(shè)計，最后利用EDA設(shè)計軟件QuartusII對其可行性進(jìn)行了仿真驗證。仿真結(jié)果表明：通過對參數(shù)的設(shè)置，該方案可實現(xiàn)等占空比的任意小數(shù)分頻。

【關(guān)鍵詞】FPGA;仿真;VHDL

引言

分頻器是控制類電路中常用的模塊之一。在實際應(yīng)用中，設(shè)計人員常常需要將一個基準(zhǔn)頻率通過加、減、乘、除簡單的四則運(yùn)算進(jìn)行頻率合成，以滿足不同的電路需求。常見的偶數(shù)分頻、奇數(shù)分頻等成整數(shù)關(guān)系的頻率合成實現(xiàn)相對比較容易。但在某些的情況下，這種成整數(shù)關(guān)系的分頻技術(shù)無法解決頻率調(diào)整間隔過大的缺點(diǎn)，在此情況下本文提出了一種基于FPGA的小數(shù)分頻的設(shè)計方法。

一般情況下，小數(shù)分頻器包括半整數(shù)分頻器和非半整數(shù)分頻器。對于半整數(shù)分頻器我們在《基于FPGA 的通用數(shù)控分頻器的設(shè)計與實現(xiàn)》[1]中有過詳細(xì)介紹。本文主要介紹非半整數(shù)分頻器的設(shè)計和實現(xiàn)，并在FPGA開發(fā)平臺上，結(jié)合VHDL文本輸入和原理圖輸入方式進(jìn)行了電路設(shè)計，同時利用EDA開發(fā)軟件QuartusII對其可行性進(jìn)行仿真驗證。仿真結(jié)果表明：該方法實現(xiàn)的小數(shù)分頻，具有精度高、轉(zhuǎn)化速度快、資源消耗低，可編程等優(yōu)點(diǎn)，同時克服了小數(shù)分頻中等占空比不易實現(xiàn)的問題。

1.幾種常見小數(shù)分頻器

假設(shè)分頻系數(shù)為K，輸入頻率為fin，輸出頻率為fout，則有：

（1）

其中：K>1

當(dāng)分頻系數(shù)為小數(shù)時，則K可以表示為：

（2）

或：

（3）

其中，M、N、N1、N2均為正整數(shù)，且。

1.1 用BCD比例乘法器4527實現(xiàn)

對于公式（2），可以利用十進(jìn)制BCD比例乘法器的加法級聯(lián)來實現(xiàn)[4]。如圖1所示，為兩個4527 BCD比例乘法器的級聯(lián)。CLOCK端輸入基準(zhǔn)頻率信號fin。A、B、C、D四個端口是置數(shù)端，用以控制比例乘法器輸出脈沖序列的個數(shù)。假設(shè)高位4527 BCD（1）中置數(shù)值為N1，低位4527 BCD（2）中置數(shù)值為N2，在10個CLOCK脈沖中4527 BCD（1）輸出N1個脈沖，同時，由INHOUT禁止4527 BCD（2）對CLOCK進(jìn)行比例分配，直接將N1個脈沖由4527 BCD（2）輸出。當(dāng)CLOCK脈沖計數(shù)達(dá)到10個時， INHOUT發(fā)出允許信號，只允許一個CLOCK脈沖進(jìn)入BCD（2）。如此，在100個CLOCK脈沖中，輸出端總共會有（10 N1+ N2）個輸出脈沖。則輸出頻率為：

（4）

由此，當(dāng)有P個4527 BCD級聯(lián)時，設(shè)預(yù)置數(shù)分別為N1，N2，…Np，

則輸出頻率為：

（5）

如圖1所示。

此種方式的最大優(yōu)點(diǎn)就是簡單易實現(xiàn)，而且在理論上可以實現(xiàn)任意位數(shù)的小數(shù)分頻。

圖2 雙模前置小數(shù)分頻器電路結(jié)構(gòu)

1.2 雙模前置小數(shù)分頻器

由公式（3），對于分頻系數(shù)為K（）的小數(shù)分頻器，可利用兩個分頻系數(shù)分別為M和M+1的整數(shù)分頻器均勻交錯進(jìn)行N1+N2次分頻實現(xiàn)。這就是所謂的雙模前置即在一個分頻周期內(nèi)，利用M分頻器和M+1分頻器進(jìn)行均勻交錯分頻，使得其在一個分頻周期內(nèi)得到一個平均意義上的小數(shù)分頻。電路結(jié)構(gòu)如圖2，由兩個整數(shù)分頻器、選擇電路和控制電路三部分組成。

兩個整數(shù)分頻器可以分別由模M和M+1的計數(shù)器實現(xiàn)。選擇電路的功能是依據(jù)控制邏輯a來交錯選擇是進(jìn)行M分頻還是M+1分頻。

兩種分頻器進(jìn)行交錯的規(guī)律是：在N1+N2次分頻中，進(jìn)行N1次M分頻，進(jìn)行N2次M+1分頻。將控制邏輯a按照N2累加，當(dāng)a

表1 雙模前置小數(shù)分頻器交錯分頻規(guī)律

分頻次數(shù) 累加值 分頻系數(shù)

1 3 5

2 6 6

3 4 5

4 7 6

5 5 6

由于需要不斷地在M和M+1兩種分頻器之間進(jìn)行切換，所以此種方式最大的缺點(diǎn)是存在延時和競爭冒險。

2.一種改進(jìn)型等占空比小數(shù)分頻的設(shè)計

2.1 改進(jìn) 型小數(shù)分頻器的理論分析

在公式（3）的基礎(chǔ)上，則有：

（5）

其中：且r、S為整數(shù)。在理論上當(dāng)S、r取不同的整數(shù)值時，可實現(xiàn)任意小數(shù)分頻。

圖3 改進(jìn)型小數(shù)分頻器電路結(jié)構(gòu)

在此意義上，相當(dāng)于對時鐘信號進(jìn)行兩級分頻便可得到需要的小數(shù)分頻。第一級分頻，為分頻系數(shù)為S的整數(shù)分頻;第二級分頻，是對第一級分頻得到的結(jié)果再次進(jìn)行系數(shù)為0

2.2 改進(jìn)型小數(shù)分頻器電路結(jié)構(gòu)

根據(jù)上述理論分析，提出一種改進(jìn)型等占空比小數(shù)分頻器的實現(xiàn)方案，其電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。在該電路中采用兩級計數(shù)電路。

第一級計數(shù)電路為一個模S的加法計數(shù)器，并將計數(shù)結(jié)果S暫存在寄存器1中，同時計數(shù)器1復(fù)位，進(jìn)行下一輪計數(shù)。第二級計數(shù)電路為一個模S+r的減法計數(shù)器，計數(shù)值為0時產(chǎn)生計數(shù)溢出信號，進(jìn)行下一輪計數(shù)。其主要功能是對第一級計數(shù)結(jié)果進(jìn)行修正。r為修正值，為了避免沖突，修正值被提前存放在寄存器2中，調(diào)整后的結(jié)果S+r被存放在寄存器3中。計數(shù)器2和計數(shù)器1是在同一時鐘控制下工作。

占空比調(diào)整電路本質(zhì)上是一個或門，即將一個模一計數(shù)器的輸出與計數(shù)器2產(chǎn)生的非對稱波進(jìn)行或運(yùn)算，就可將計數(shù)器2的非對稱方波轉(zhuǎn)化為等占空比脈沖。

2.3 改進(jìn)型小數(shù)分頻器的實現(xiàn)

綜上，利用模S計數(shù)器、寄存器，即可實現(xiàn)等占空比的任意小數(shù)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)計小數(shù)分頻器中各個組成電路元件，然后通過元件例化的方法，調(diào)用各個底層元件，實現(xiàn)任意小數(shù)分頻器。

模S計數(shù)器和寄存器的實現(xiàn)可以采用兩種方式：一是調(diào)用LPM庫中相應(yīng)的參數(shù)化模塊，二是利用VHDL描述語言實現(xiàn)[3]。利用LPM參數(shù)化模塊進(jìn)行設(shè)計時，可根據(jù)向?qū)?shù)進(jìn)行必要的設(shè)置，QuartusII會生成相應(yīng)的.vdh文本。為了能夠調(diào)用該文本，最后還需要利用VHDL語言對相應(yīng)的.vhd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)[1]。

假設(shè)=100M，=10M，K=1.3，則S=10，r=3，其仿真結(jié)果如圖4所示

3.小結(jié)

本文利用FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）豐富的硬件資源，結(jié)合EDA技術(shù)及VHDL硬件描述語言實現(xiàn)了一種任意小數(shù)分頻器，相對于前邊介紹的兩種分頻器，具有轉(zhuǎn)化速度快，精度高等優(yōu)點(diǎn)。同時，在對占空比有苛刻要求的特殊情況下，能夠克服其它方案中無法實現(xiàn)等占空比的缺點(diǎn)，更具典型性。

參考文獻(xiàn)

[1]張建妮，陸曉燕.基于FPGA 的通用數(shù)控分頻器的設(shè)計與實現(xiàn)[J].電子世界，2013，10（2）：127-127.

[2]周殿鳳，康素成，王俊華.基于FPGA的任意數(shù)值分頻器的設(shè)計信息化研究，2010，36（2）：59-61.

[3]潘松，黃繼業(yè).EDA技術(shù)實用教程[M].北京：科學(xué)出版社，2006.

[4]尹佳喜.小數(shù)分頻器的設(shè)計及其應(yīng)用[J].國外電子測量技術(shù)，2005，24：11-13.

[5]毛為勇，祁中洋，王蘭.基于FPGA 的任意小數(shù)分頻器的設(shè)計[J].桂林航天工業(yè)高等?？茖W(xué)校學(xué)報，2009.1（53）：30-32

[6]袁泉，陳曉龍，王家禮.基于FPGA的小數(shù)分頻器的實現(xiàn)方法[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2010，3（11）：99-101.

作者簡介：張建妮（1982—），女，講師，現(xiàn)供職于西華師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院，主要從事電子技術(shù)方面的教學(xué)與研究。