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作者：趙厲，張志國，唐芳福 珠海歐比特控制工程股份有限公司，珠海 519080 摘要：在設計數(shù)字電路過程中，通常所需的頻率要根據(jù)給定的頻率進行分頻來得到。時鐘分頻又分為整數(shù)分頻和小數(shù)分頻，有時還有會有分數(shù)分頻。當基準時鐘與所需的頻率成整數(shù)倍關系時為整數(shù)分頻，可以采用標準的計數(shù)器實現(xiàn)，也可以采用可編程邏輯器件實現(xiàn)。當基準時鐘與所需的頻率不成整數(shù)倍關系時為小數(shù)分頻，可以采用小數(shù)分頻器實現(xiàn)分頻。本文通過XC2V1000-4FG456型號的FPGA對8192kHz的基準時鐘進行分頻，分別得到1024kHz、512kHz、256kHz和1kHz的時鐘頻率。設計中利用了VHDL硬件描述語言，通過ISE9.1邏輯設計工具和Modelsim6.5仿真工具完成了數(shù)字分頻器的設計。 關鍵詞：分頻器；FPGA；VHDL；Modelsim6.5 1. 概述 隨著集成電路技術的快速發(fā)展，半導體存儲、微處理器等相關技術的發(fā)展得到了飛速發(fā)展。FPGA以其可靠性強、運行快、并行性等特點在電子設計中具有廣泛的意義。作為一種可編程邏輯器件，F(xiàn)PGA在短短二十年中從電子設計的外圍器件逐漸演變?yōu)閿?shù)字系統(tǒng)的核心。伴隨著半導體工藝技術的進步，F(xiàn)PGA器件的設計技術取得了飛躍發(fā)展及突破。 分頻器通常用來對某個給定的時鐘頻率進行分頻，以得到所需的時鐘頻率。在設計數(shù)字電路中會經(jīng)常用到多種不同頻率的時鐘脈沖，一般采用由一個固定的晶振時鐘頻率來產(chǎn)生所需要的不同頻率的時鐘脈沖的方法進行時鐘分頻。 在FPGA的設計中分頻器是使用頻率較高的基本設計，在很多的設計中也會經(jīng)常用到芯片集成的鎖相環(huán)資源，如用Xilinx的DLL以及Altera的PLL來進行時鐘的分頻、倍頻與相移。在一些對時鐘精度不高的場合，會經(jīng)常利用硬件描述語言來對時鐘源進行時鐘分頻。 分頻器是一種基本電路，一般包括數(shù)字分頻器、模擬分頻器和射頻分頻器。根據(jù)不同設計的需要，有時還會要求等占空比。數(shù)字分頻器采用的是計數(shù)器的原理，權值為分頻系數(shù)。模擬分頻器就是一個頻率分配器，用帶阻帶通實現(xiàn)(比如音箱上高中低喇叭的分配器)。射頻分頻器也是濾波器原理，用帶內(nèi)外衰減，阻抗匹配實現(xiàn)。 隨著FPGA技術的發(fā)展，基于FPGA技術的硬件設計數(shù)字分頻器已成為數(shù)字系統(tǒng)設計的研究重點。數(shù)字分頻器通常分為整數(shù)分頻器和小數(shù)分頻器。在有些需求下還要分數(shù)分頻器。 本設計是基于FPGA的數(shù)字分頻器，通過VHDL硬件設計語言，在Modelsim6.5上對設計的分頻器進行仿真驗證。 2. 數(shù)字分頻器的設計 數(shù)字分頻器的設計與模擬分頻器的設計不同，數(shù)字分頻器可以使用觸發(fā)器設計電路對時鐘脈沖進行時鐘分頻。分頻器的一個重要指標就是占空比，即在一個周期中高電平脈沖在整個周期中所占的比例。占空比一般會有1:1,1: N等不同比例的要求,由于占空比的比例要求不一樣，所以采用的時鐘分頻原理也各不同。在FPGA的數(shù)字分頻器設計中，主要分為整數(shù)分頻器、小數(shù)分頻器和分數(shù)分頻器�，F(xiàn)在分別介紹整數(shù)分頻器的設計、小數(shù)分頻器的設計和分數(shù)分頻器的設計。 2.1 整數(shù)分頻器的設計 整數(shù)分頻器是指基準時鐘與所需的時鐘頻率成整數(shù)倍關系。整數(shù)分頻器的分頻種類一般包括奇數(shù)分頻和偶數(shù)分頻。雖然時鐘分頻原理會根據(jù)時鐘分頻的要求不同而不同，但均可采用標準計數(shù)器原理來實現(xiàn)。 偶數(shù)分頻器的設計原理較為簡單，主要是利用計數(shù)器來實現(xiàn)。假設要進行n(n為偶數(shù))分頻，設定一個在分頻時鐘上升沿觸發(fā)的計數(shù)器循環(huán)計數(shù)來實現(xiàn)。當計數(shù)器值為0-（（n/2）-1）時，輸出時鐘信號進行翻轉，同時給計數(shù)器一個復位信號，使下一個時鐘上升沿到來時，計數(shù)器重新開始計數(shù)，由此不斷循環(huán)。 奇數(shù)分頻器的設計原理與偶數(shù)分頻的設計方法很相似，都是通過計數(shù)器來實現(xiàn)的。如果要進行n(n為奇數(shù))分頻，直接設計n進制的計數(shù)器即可。還有一種方法就是選擇兩個計數(shù)器cnt1和cnt2，分別在時鐘上升沿和下降沿觸發(fā)計數(shù)。cnt1和cnt2均當計數(shù)器值為0-（（n/2）-1）時，輸出時鐘信號進行翻轉，同時給計數(shù)器一個時鐘復位信號，使下一個時鐘上升沿到來時，計數(shù)器重新開始計數(shù)，如此進行循環(huán)下去。由此可知，計數(shù)器cnt1和cnt2的實現(xiàn)方法一樣，只是翻轉邊沿不一樣，最終輸出的時鐘為clkout = clk1 + clk2。 2.2 小數(shù)分頻器的設計 小數(shù)分頻的基本原理是采用脈沖吞吐計數(shù)器和鎖相環(huán)技術先設計兩個不同分頻比的整數(shù)分頻器，然后通過控制單位時間內(nèi)兩種分頻比出現(xiàn)的不同次數(shù)來獲得所需的小數(shù)分頻值，分頻系數(shù)為N-0.5(N為整數(shù))時，可控制扣除脈沖的時間，以使輸出成為一個穩(wěn)定的脈沖頻率，而不是一次N分頻，一次N-1分頻。 小數(shù)分頻器有很多種設計方案，但其基本原理是一樣的，都是在若干個分頻周期中采取某種方法使幾個周期多計一個數(shù)或少計一個數(shù)，從而在整個計數(shù)周期的總體平均意義上獲得一個小數(shù)分頻比。還有一種分頻方法就是，利用狀態(tài)機和計數(shù)器。假設時鐘信號的頻率為1khz，需要產(chǎn)生750khz的分頻信號，其分頻系數(shù)為6/8�；驹O計思想是，在8個時鐘信號中保留6個時鐘信號。這種方法是需要預先設定狀態(tài)機的個數(shù)，主要用于已經(jīng)知道需要使用哪一個小數(shù)分頻系數(shù)的情況下。如果分頻系數(shù)發(fā)生變化，則需要在程序內(nèi)部進行修改。 雙模前置小數(shù)分頻的設計方法是，假設要進行m，n時鐘分頻（其中m、n都是整數(shù)，且n<10），因為只有一位小數(shù)，所以總共要進行10次分頻�？偟囊�(guī)律是：進行n次m+1分頻，10-n次m分頻。例如，設計一個分頻系數(shù)為3.6的分頻器，將小數(shù)部分的6按倍累加，假設累加的值為a，如果a<10，則進行3分頻，如果a<10下一次則加上6。此后，如果a>=10，則進行4分頻，4分頻過后再將累加值減去4后與10比較以決定下一次分頻是4分頻還是3分頻，這樣分頻器設計成6次4分頻，4次3分頻，總的分頻值為(6×4+4×3)/(6+4) = 3.6。 2.3 分數(shù)分頻器的設計 分數(shù)分頻器的數(shù)據(jù)輸入部分與小數(shù)分頻基本相同，差別僅在于數(shù)碼管顯示部分顯示三位分頻系數(shù)。由于分數(shù)在一定情況下可以轉化為小數(shù)進行計算，所以分數(shù)分頻的設計思想與小數(shù)分頻的很相似。假設進行分頻，總分頻數(shù)由分母m決定，規(guī)律是進行n次j+1分頻和m-n次j分頻。兩種分頻交替進行的計算方法和小數(shù)分頻的很類似。累加分結果是大于等于分母還是小于分母決定是進行j分頻還是j+1分頻。 3. 數(shù)字分頻器的FPGA設計及仿真 利用FPGA對8192kHz的基準時鐘進行時鐘分頻，分別得到1024kHz、512kHz、256kHz和1kHz的時鐘頻率，需要分別進行8分頻、16分頻、32分頻和8192分頻。在利用FPGA進行設計整數(shù)分頻器時，通過VHDL硬件描述語言利用計數(shù)器方式來實現(xiàn)。 3.1 1024kHz時鐘分頻 根據(jù)所需的時鐘頻率為1024kHz的時鐘，而晶振時鐘的頻率為8192kHz，晶振時鐘與所需的時鐘頻率恰巧是8倍的整數(shù)倍關系，因此需要對8192kHz的晶振時鐘進行8分頻來獲得所需要的時鐘。根據(jù)整數(shù)倍分頻器的設計方法原理，通過ISE9.1邏輯設計工具，利用VHDL硬件描述語言來進行8分頻的分頻器設計。然而8又是偶數(shù)，所以需要設計的是偶數(shù)分頻器。對設計的內(nèi)容通過Modelsim6.5仿真軟件進行仿真驗證，結果如圖3-1所示。 
圖3-1 1024kHz時鐘分頻 由圖3-1得知，當8192kHz的晶振時鐘輸入8個時鐘，系統(tǒng)輸出1個時鐘，即一個1024kHz頻率的時鐘。程序設計中采用計數(shù)器來實現(xiàn)，當計數(shù)器值為0-（（n/2）-1）=-3時，輸出時鐘信號進行翻轉，同時給計數(shù)器一個復位信號，使下一個時鐘上升沿到來時，計數(shù)器重新開始計數(shù)，不斷循環(huán)下去。 3.2 512kHz時鐘分頻 根據(jù)所需的時鐘頻率為512kHz的時鐘，而晶振時鐘的頻率為8192kHz，晶振時鐘與所需的時鐘頻率恰巧是16倍的整數(shù)倍關系，因此需要對8192kHz的晶振時鐘進行16分頻來獲得所需要的時鐘。根據(jù)整數(shù)倍分頻器的設計方法原理，通過ISE9.1邏輯設計工具，利用VHDL硬件描述語言來進行16分頻的分頻器設計。然而16又是偶數(shù)，所以需要設計的是偶數(shù)分頻器。對設計的內(nèi)容通過Modelsim6.5仿真軟件進行仿真驗證，結果如圖3-2所示。
圖3-2 512kHz時鐘分頻 由圖3-2得知，當8192kHz的晶振時鐘輸入16個時鐘，系統(tǒng)輸出1個時鐘，即一個512kHz頻率的時鐘。程序設計中采用計數(shù)器來實現(xiàn)，當計數(shù)器值為0-（（n/2）-1）=-7時，輸出時鐘信號進行翻轉，同時給計數(shù)器一個復位信號，使下一個時鐘上升沿到來時，計數(shù)器重新開始計數(shù)，不斷循環(huán)下去。 3.3 256kHz時鐘分頻 根據(jù)所需的時鐘頻率為256kHz的時鐘，而晶振時鐘的頻率為8192kHz，晶振時鐘與所需的時鐘頻率恰巧是32倍的整數(shù)倍關系，因此需要對8192kHz的晶振時鐘進行32分頻來獲得所需要的時鐘。根據(jù)整數(shù)倍分頻器的設計方法原理，通過ISE9.1邏輯設計工具，利用VHDL硬件描述語言來進行32分頻的分頻器設計。然而32又是偶數(shù)，所以需要設計的是偶數(shù)分頻器。對設計的內(nèi)容通過Modelsim6.5仿真軟件進行仿真驗證，結果如圖3-3所示。
圖3-3 256kHz時鐘分頻 由圖3-3得知，當8192kHz的晶振時鐘輸入32個時鐘，系統(tǒng)輸出1個時鐘，即一個256kHz頻率的時鐘。程序設計中采用計數(shù)器來實現(xiàn)，當計數(shù)器值為0-（（n/2）-1）=-15時，輸出時鐘信號進行翻轉，同時給計數(shù)器一個復位信號，使下一個時鐘上升沿到來時，計數(shù)器重新開始計數(shù)，不斷循環(huán)下去。 3.4 1kHz時鐘分頻 根據(jù)所需的時鐘頻率為1kHz的時鐘，而晶振時鐘的頻率為8192kHz，晶振時鐘與所需的時鐘頻率恰巧是8192倍的整數(shù)倍關系，因此需要對8192kHz的晶振時鐘進行8192分頻來獲得所需要的時鐘。根據(jù)整數(shù)倍分頻器的設計方法原理，通過ISE9.1邏輯設計工具，利用VHDL硬件描述語言來進行8192分頻的分頻器設計。然而8192又是偶數(shù)，所以需要設計的是偶數(shù)分頻器。對設計的內(nèi)容通過Modelsim6.5仿真軟件進行仿真驗證，結果如圖3-4所示。
圖3-4 1kHz時鐘分頻 由圖3-4得知，當8192kHz的晶振時鐘輸入8個時鐘，系統(tǒng)輸出1個時鐘，即一個1kHz頻率的時鐘。程序設計中采用計數(shù)器來實現(xiàn)，當計數(shù)器值為0-（（n/2）-1）=-4095時，輸出時鐘信號進行翻轉，同時給計數(shù)器一個復位信號，使下一個時鐘上升沿到來時，計數(shù)器重新開始計數(shù)，不斷循環(huán)下去。 4. 結束語 本文給出了基于FPGA的數(shù)字分頻器設計方法。采用計數(shù)器設計方法實現(xiàn)了對8192kHz的基準時鐘進行分頻，分別得到1024kHz、512kHz、256kHz和1kHz的時鐘頻率。其他的偶數(shù)倍分頻也可采用類似的方法分頻的到需要的頻率時鐘。通過在Modelsim6.5仿真工具驗證了設計的正確性。 參考文獻 [1] 夏宇聞.Verilog數(shù)字系統(tǒng)設計教程[M].北京航空航天大學出版社，2008 [2] (美)Parag K.Lala著，喬廬峰等譯.現(xiàn)代數(shù)字設計與VHDL [M].電子工業(yè)出版社，2010 [3] 潘松，黃繼業(yè)，潘明.EDA技術實用教程[M].科學出版社，2010 [4] 張奇惠，武超，王二萍，蔣俊華，張偉風.基于VerilogHDL的分頻器的優(yōu)化設計[J].河南大學學報(自然科學出版).2007，37（4）：343 [5] 王世元，謝開明，石亞偉，陳孟鋼，龍正吉.一種新的可控分頻器的FPGA實現(xiàn)[J].西南大學學報(自然科學版)2007,29(1)：89-93 [6] 劉亞海，林爭輝.基于FPGA的小數(shù)分頻器的實現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術，2008,28（3）：113-117 [7] 蔡曉燕，F(xiàn)PGA數(shù)字邏輯設計[M].清華大學出版社，2013 [8] 徐志軍，徐光輝.CPLD/FPGA的開發(fā)與應用[M].電子工業(yè)出版社，2002 [9] 王誠，薛小剛，鐘信潮.FPGA/CPLD設計工具[M].人民郵電出版社，2003 [10] 李秋生.一種改進的小數(shù)分頻器設計方法[J].現(xiàn)代電子技術.2009,08:43-46 [11] 徐德成.任意數(shù)分頻設計方法[J].科技廣場.2007,(11):219-220 [12] 古良玲，楊永明，郭巧惠.基于FPGA的半整數(shù)及整數(shù)分頻器的參數(shù)化設計[J].電子器件，2005,28(2): 404-406 |
