一種基于FPGA的數(shù)字分頻器設(shè)計詳解

1. 概述

隨著集成電路技術(shù)的快速發(fā)展，半導(dǎo)體存儲、微處理器等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展得到了飛速發(fā)展。FPGA以其可靠性強(qiáng)、運(yùn)行快、并行性等特點(diǎn)在電子設(shè)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(shè)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(dǎo)體工藝技術(shù)的進(jìn)步，F(xiàn)PGA器件的設(shè)計技術(shù)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(jìn)行分頻，以得到所需的時鐘頻率。在設(shè)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(jìn)行時鐘分頻。

在FPGA的設(shè)計中分頻器是使用頻率較高的基本設(shè)計，在很多的設(shè)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(jìn)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(jìn)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(shè)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(quán)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(shù)的發(fā)展，基于FPGA技術(shù)的硬件設(shè)計數(shù)字分頻器已成為數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的研究重點(diǎn)。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?jǐn)?shù)分頻器。

本設(shè)計是基于FPGA的數(shù)字分頻器，通過VHDL硬件設(shè)計語言，在Modelsim6.5上對設(shè)計的分頻器進(jìn)行仿真驗證。

2. 數(shù)字分頻器的設(shè)計

數(shù)字分頻器的設(shè)計與模擬分頻器的設(shè)計不同，數(shù)字分頻器可以使用觸發(fā)器設(shè)計電路對時鐘脈沖進(jìn)行時鐘分頻。分頻器的一個重要指標(biāo)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(shè)計中，主要分為整數(shù)分頻器、小數(shù)分頻器和分?jǐn)?shù)分頻器。現(xiàn)在分別介紹整數(shù)分頻器的設(shè)計、小數(shù)分頻器的設(shè)計和分?jǐn)?shù)分頻器的設(shè)計。

2.1 整數(shù)分頻器的設(shè)計

整數(shù)分頻器是指基準(zhǔn)時鐘與所需的時鐘頻率成整數(shù)倍關(guān)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(biāo)準(zhǔn)計數(shù)器原理來實現(xiàn)。

偶數(shù)分頻器的設(shè)計原理較為簡單，主要是利用計數(shù)器來實現(xiàn)。假設(shè)要進(jìn)行n（n為偶數(shù)）分頻，設(shè)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(dāng)計數(shù)器值為0-（（n/2）-1）時，輸出時鐘信號進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，同時給計數(shù)器一個復(fù)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(shè)計原理與偶數(shù)分頻的設(shè)計方法很相似，都是通過計數(shù)器來實現(xiàn)的。如果要進(jìn)行n（n為奇數(shù)）分頻，直接設(shè)計n進(jìn)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(dāng)計數(shù)器值為0-（（n/2）-1）時，輸出時鐘信號進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，同時給計數(shù)器一個時鐘復(fù)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(jìn)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(zhuǎn)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(shè)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(shù)先設(shè)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(shè)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(jī)和計數(shù)器。假設(shè)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(shè)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(yù)先設(shè)定狀態(tài)機(jī)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(jìn)行修改。

雙模前置小數(shù)分頻的設(shè)計方法是，假設(shè)要進(jìn)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(jìn)行10次分頻?？偟囊?guī)律是：進(jìn)行n次m+1分頻，10-n次m分頻。例如，設(shè)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(shè)累加的值為a，如果a《10，則進(jìn)行3分頻，如果a《10下一次則加上6。此后，如果a》=10，則進(jìn)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(shè)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?jǐn)?shù)分頻器的設(shè)計

分?jǐn)?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?jǐn)?shù)在一定情況下可以轉(zhuǎn)化為小數(shù)進(jìn)行計算，所以分?jǐn)?shù)分頻的設(shè)計思想與小數(shù)分頻的很相似。假設(shè)進(jìn)行分頻，總分頻數(shù)由分母m決定，規(guī)律是進(jìn)行n次j+1分頻和m-n次j分頻。兩種分頻交替進(jìn)行的計算方法和小數(shù)分頻的很類似。累加分結(jié)果是大于等于分母還是小于分母決定是進(jìn)行j分頻還是j+1分頻。

3. 數(shù)字分頻器的FPGA設(shè)計及仿真

利用FPGA對8192kHz的基準(zhǔn)時鐘進(jìn)行時鐘分頻，分別得到1024kHz、512kHz、256kHz和1kHz的時鐘頻率，需要分別進(jìn)行8分頻、16分頻、32分頻和8192分頻。在利用FPGA進(jìn)行設(shè)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(guān)系，因此需要對8192kHz的晶振時鐘進(jìn)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(shè)計方法原理，通過ISE9.1邏輯設(shè)計工具，利用VHDL硬件描述語言來進(jìn)行8分頻的分頻器設(shè)計。然而8又是偶數(shù)，所以需要設(shè)計的是偶數(shù)分頻器。對設(shè)計的內(nèi)容通過Modelsim6.5仿真軟件進(jìn)行仿真驗證，結(jié)果如圖3-1所示。

圖3-1 1024kHz時鐘分頻

由圖3-1得知，當(dāng)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(shè)計中采用計數(shù)器來實現(xiàn)，當(dāng)計數(shù)器值為0-（（n/2）-1）=-3時，輸出時鐘信號進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，同時給計數(shù)器一個復(fù)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(guān)系，因此需要對8192kHz的晶振時鐘進(jìn)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(shè)計方法原理，通過ISE9.1邏輯設(shè)計工具，利用VHDL硬件描述語言來進(jìn)行16分頻的分頻器設(shè)計。然而16又是偶數(shù)，所以需要設(shè)計的是偶數(shù)分頻器。對設(shè)計的內(nèi)容通過Modelsim6.5仿真軟件進(jìn)行仿真驗證，結(jié)果如圖3-2所示。

圖3-2 512kHz時鐘分頻

由圖3-2得知，當(dāng)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(shè)計中采用計數(shù)器來實現(xiàn)，當(dāng)計數(shù)器值為0-（（n/2）-1）=-7時，輸出時鐘信號進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，同時給計數(shù)器一個復(fù)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(guān)系，因此需要對8192kHz的晶振時鐘進(jìn)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(shè)計方法原理，通過ISE9.1邏輯設(shè)計工具，利用VHDL硬件描述語言來進(jìn)行32分頻的分頻器設(shè)計。然而32又是偶數(shù)，所以需要設(shè)計的是偶數(shù)分頻器。對設(shè)計的內(nèi)容通過Modelsim6.5仿真軟件進(jìn)行仿真驗證，結(jié)果如圖3-3所示。

圖3-3 256kHz時鐘分頻

由圖3-3得知，當(dāng)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(shè)計中采用計數(shù)器來實現(xiàn)，當(dāng)計數(shù)器值為0-（（n/2）-1）=-15時，輸出時鐘信號進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，同時給計數(shù)器一個復(fù)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(guān)系，因此需要對8192kHz的晶振時鐘進(jìn)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(shè)計方法原理，通過ISE9.1邏輯設(shè)計工具，利用VHDL硬件描述語言來進(jìn)行8192分頻的分頻器設(shè)計。然而8192又是偶數(shù)，所以需要設(shè)計的是偶數(shù)分頻器。對設(shè)計的內(nèi)容通過Modelsim6.5仿真軟件進(jìn)行仿真驗證，結(jié)果如圖3-4所示。

圖3-4 1kHz時鐘分頻

由圖3-4得知，當(dāng)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(shè)計中采用計數(shù)器來實現(xiàn)，當(dāng)計數(shù)器值為0-（（n/2）-1）=-4095時，輸出時鐘信號進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，同時給計數(shù)器一個復(fù)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(jié)束語

本文給出了基于FPGA的數(shù)字分頻器設(shè)計方法。采用計數(shù)器設(shè)計方法實現(xiàn)了對8192kHz的基準(zhǔn)時鐘進(jìn)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(shè)計的正確性。