一種基于Verilog的任意整數(shù)分頻器實(shí)現(xiàn)方法＊

谷 濤，黃 勇，盧 晨

（廣西民族大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，廣西 南寧 530006）

0 引言

1 任意整數(shù)分頻器的實(shí)現(xiàn)框架

Verilog HDL是電子設(shè)計(jì)的主流硬件描述語言之一（另一個(gè)是VHDL），采用硬件描述語言完成電路設(shè)計(jì)是當(dāng)前數(shù)字電路設(shè)計(jì)的主流方法.Quartus II是Altera公司的綜合性PLD／FPGA開發(fā)軟件，支持原理圖、VHDL、VerilogHDL 以及 AHDL（Altera Hardware Description Language）等多種設(shè)計(jì)輸入形式［1］.Modelsim是MENTOR公司推出的業(yè)界最優(yōu)秀的HDL語言仿真軟件，Quartus II可以方便地調(diào)用Modelsim進(jìn)行電路設(shè)計(jì)的RTL級(jí)和門級(jí)仿真.盡管在目前大部分設(shè)計(jì)中，可以使用芯片廠家集成的鎖相環(huán)資源進(jìn)行時(shí)鐘的分頻，但通過硬件描述語言設(shè)計(jì)的時(shí)鐘分頻電路可以節(jié)省芯片內(nèi)部的鎖相環(huán)資源，而且消耗不多的邏輯單元就可以達(dá)到對(duì)時(shí)鐘操作的目的.所以在時(shí)鐘要求不高的電路設(shè)計(jì)中，使用語言來說設(shè)計(jì)分頻電路是必要的也是廣泛應(yīng)用的.筆者以Quartus II為設(shè)計(jì)平臺(tái)，基于Verilog語言設(shè)計(jì)了一個(gè)任意整數(shù)分頻器，并在Modelsim中完成仿真［2－3］.

任意整數(shù)不是奇數(shù)就是偶數(shù)，所以筆者的設(shè)計(jì)思路分別對(duì)輸入時(shí)鐘源進(jìn)行奇分頻和偶分頻，然后再判斷分頻比是奇數(shù)還是偶數(shù).如果是奇數(shù)則選擇奇分頻器輸出的信號(hào)為最終輸出信號(hào)（此時(shí)偶分頻器在執(zhí)行分頻，但分頻比不符合要求），如果是偶數(shù)則選擇偶分頻器輸出的信號(hào)為最終輸出信號(hào)（此時(shí)奇分頻器在執(zhí)行分頻，但分頻比不符合要求）.電路構(gòu)造簡單，在一定程度上縮短了輸入到輸出的時(shí)延.任意整數(shù)分頻器的實(shí)現(xiàn)框架如圖1所示.

如圖1所示，輸入信號(hào)clk分別經(jīng)過奇數(shù)分頻和偶數(shù)分頻，然后根據(jù)分頻比是奇數(shù)還是偶數(shù)，選擇分頻后的輸出作為最終的輸出信號(hào)clkk.分頻比是奇數(shù)，選擇奇數(shù)分頻后的輸出，是偶數(shù)則選擇偶數(shù)分頻后的輸出.對(duì)于二進(jìn)制形式的分頻比k，只需要根據(jù)最后一位是1還是0即可判定它是奇數(shù)還是偶數(shù).例如輸入分頻比是k［3∶0］，可以根k［0］來判斷分頻比的奇偶性.

圖1 任意整數(shù)分頻器的實(shí)現(xiàn)原理框圖Fig.1Implementation principle of arbitrary integer frequency divider

2 實(shí)現(xiàn)框架中各部分的原理

2.1 奇數(shù)分頻的實(shí)現(xiàn)原理

k倍奇數(shù)分頻有兩種實(shí)現(xiàn)辦法：

1）首先進(jìn)行k／2分頻（帶小數(shù)，即等于（k－1）／2＋0.5），然后再進(jìn)行二分頻得到［4］.這種辦法需要先實(shí)現(xiàn)小數(shù)分頻，比較麻煩，所以筆者采用第二種奇分頻方法.

2）通過計(jì)數(shù)器來實(shí)現(xiàn).一般的方法為：對(duì)于實(shí)現(xiàn)占空比為50%的k倍奇數(shù)分頻，首先進(jìn)行輸入時(shí)鐘上升沿觸發(fā)模k計(jì)數(shù)（從0計(jì)到k－1），計(jì)數(shù)到1時(shí)輸出時(shí)鐘翻轉(zhuǎn)，然后經(jīng)過（k－1）／2個(gè)脈沖上升沿計(jì)數(shù)到（k＋1）／2時(shí)輸出時(shí)鐘再次翻轉(zhuǎn).然后繼續(xù)計(jì)數(shù)，計(jì)到k－1時(shí)計(jì)數(shù)器清零繼續(xù)計(jì)數(shù)，再次計(jì)到1時(shí)輸出時(shí)鐘再翻轉(zhuǎn)一次.這樣可以得到一個(gè)占空比非50%的奇數(shù)k分頻時(shí)鐘.再者同時(shí)進(jìn)行輸入時(shí)鐘下降沿觸發(fā)模k計(jì)數(shù)（從0計(jì)到k－1），計(jì)數(shù)到1時(shí)輸出時(shí)鐘翻轉(zhuǎn)，然后經(jīng)過（k－1）／2個(gè)脈沖下降沿計(jì)數(shù)到（k＋1）／2時(shí)輸出時(shí)鐘再次翻轉(zhuǎn).然后繼續(xù)計(jì)數(shù)，計(jì)到k－1時(shí)清零并繼續(xù)計(jì)數(shù)，再次計(jì)到1時(shí)輸出時(shí)鐘再翻轉(zhuǎn)一次.這樣得到另一個(gè)占空比非50%的奇數(shù)k分頻時(shí)鐘.兩個(gè)模k計(jì)數(shù)依次這樣循環(huán)下去，得到的輸出時(shí)鐘為兩個(gè)占空比非50%的輸入時(shí)鐘k分頻.把它們相或運(yùn)算，得到占空比為50%的奇數(shù)k分頻時(shí)鐘.以5分頻為例，奇數(shù)分頻的實(shí)現(xiàn)原理如圖2.

圖2 5分頻原理圖Fig.2Schematic diagram of frequency divider（mode＝5）

以5分頻為例，在圖2中可以看到，k1內(nèi)部的計(jì)數(shù)器對(duì)clk的上升沿計(jì)數(shù)，k1的輸出波形初始為低電平，遇到第1個(gè)上升沿計(jì)0，遇到第2個(gè)上升沿計(jì)1，此時(shí)k1的輸出波形翻轉(zhuǎn)為高電平.遇到第3個(gè)上升沿計(jì)2，遇到第4個(gè)上升沿計(jì)3，此時(shí)k1的輸出波形翻轉(zhuǎn)為低電平.遇到第5個(gè)上升沿計(jì)4，第6個(gè)上升沿計(jì)數(shù)器清零，第7個(gè)上升沿計(jì)1，此時(shí)k1的輸出波形再次翻轉(zhuǎn)，為高電平.然后依次類推……我們可以看到從第2個(gè)上升沿到第7個(gè)上升沿之間，k1的輸出波形形成了一個(gè)完整的脈沖.隨著第8個(gè)及后續(xù)上升沿的到來，k1的計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)和輸出波形依次循環(huán)下去.k1的輸出波形是對(duì)clk的5分頻，但占空比不是50%.k2的內(nèi)部計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)和輸出波形翻轉(zhuǎn)辦法與k1類似，只不過k2是對(duì)clk的下降沿計(jì)數(shù).從圖2中還可以看到把k1和k2相或，可以得到占空比為50%的5分頻信號(hào)k.

2.2 偶數(shù)分頻的實(shí)現(xiàn)原理

偶數(shù)分頻原理為：當(dāng)進(jìn)行占空比為50%的k倍偶數(shù)分頻時(shí)，可以由待分頻信號(hào)clk的上升沿去觸發(fā)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù).當(dāng)計(jì)數(shù)器從0計(jì)數(shù)到（k／2）－1時(shí)，輸出信號(hào)進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，同時(shí)給計(jì)數(shù)器賦值為零.待分頻信號(hào)clk的下一個(gè)上升沿到來時(shí)重新從0開始計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)到（k／2）－1時(shí)，輸出信號(hào)再次進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，計(jì)數(shù)器再次賦值為零，以此循環(huán)下去.采用這種方法可以實(shí)現(xiàn)占空比為50% 的任意偶數(shù)倍分頻［5］.這里不再做詳細(xì)敘述.

2.3 輸出信號(hào)選擇原理

因?yàn)榭梢愿鶕?jù)k［0］來判斷分頻比k［n∶0］的奇偶性，所以把k［0］作為選擇輸出信號(hào)的依據(jù).k［0］＝1選擇奇數(shù)分頻的輸出作為最終輸出信號(hào)，k［0］＝0選擇偶數(shù)分頻的輸出作為最終輸出信號(hào).這個(gè)在Verilog中可以用條件賦值語句實(shí)現(xiàn)，具體語句將在下面的程序中給出.

3 任意整數(shù)k分頻器的完整Verilog設(shè)計(jì)程序及測(cè)試程序

3.1 任意整數(shù)k分頻器的完整Verilog設(shè)計(jì)程序

module kfenpin（rst＿n，clk，k，clkk）；／／ 該 例 中任意整數(shù)k為輸入值k

程序中rst＿n是全局的復(fù)位信號(hào)；clk是輸入的待分頻時(shí)鐘信號(hào)；k是輸入的分頻比，該例程序中是4位二進(jìn)制輸入信號(hào)，可以改變位寬來達(dá)到實(shí)現(xiàn)更大分頻比的目的；clkk是分頻后的輸出信號(hào).

3.2 任意整數(shù)k分頻器的測(cè)試程序

任意整數(shù)k分頻器的測(cè)試程序如下：

4 仿真結(jié)果

在上述設(shè)計(jì)程序和測(cè)試程序下，在Quartus II程序中調(diào)用Modelsim，可以看到仿真結(jié)果.

在測(cè)試程序中，k賦不同的值，就可以得到相應(yīng)的分頻輸出.下面給出k＝2，k＝7，k＝8的仿真結(jié)果：

可以看到除了最初的幾個(gè)周期外（具體幾個(gè)周期與分頻比有關(guān)），輸出信號(hào)是輸入信號(hào)的k分頻.該例程序的2分頻的仿真測(cè)試也可以通過.

圖3 k＝2時(shí)的仿真結(jié)果（2分頻輸出）Fig.3The simulation results when k ＝2（2divider output）

圖4 k＝7時(shí)的仿真結(jié)果（7分頻輸出）Fig.4The simulation results when k ＝7（7divider output）

圖5 k＝8時(shí)的仿真結(jié)果（8分頻輸出）Fig.5The simulation results when k ＝8（8divider output）

［1］潘松，等.EDA技術(shù)實(shí)用教程－Verilog HDL版［M］.北京：科學(xué)出版社，2013.

［2］帥旗.基于FPGA的全數(shù)字鎖相環(huán)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.大連理工大學(xué)工程碩士學(xué)位論文，2013.

［3］張成.基于FPGA的全數(shù)字鎖相環(huán)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用［D］.合肥工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文，2010.

［4］鄧玉元，等.數(shù)字電路中等占空比分頻器的實(shí)現(xiàn)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2006（24）.

［5］黃國達(dá).基于FPGA的任意整數(shù)分頻器的設(shè)計(jì)［J］.福建電腦，2013（7）.