最為常見(jiàn)的分頻器分4種分析

分頻器是用的最廣的一種FPGA電路了，我最初使用的是crazybingo的一個(gè)任意分頻器，可以實(shí)現(xiàn)高精度任意分頻的一個(gè)通用模塊，他的思想在于首先指定計(jì)數(shù)器的位寬比如32位，那么這個(gè)計(jì)數(shù)器的最大值就是2^32=4294967296，

假設(shè)系統(tǒng)時(shí)鐘為50MHz，那么假如要想實(shí)現(xiàn)輸出頻率為fout，那么可以使用的頻率控制字為：

K滿足關(guān)系：

，那么設(shè)計(jì)計(jì)數(shù)器在每個(gè)時(shí)鐘上升沿累加的值為K，當(dāng)計(jì)數(shù)值為2^31時(shí)，clkout=1;否則clkout=0.最終即可以實(shí)現(xiàn)任意頻率的輸出，精度的計(jì)算方法為當(dāng)K=1時(shí)，可以得到clkout=0.0116415321826934814453125Hz，也即是說(shuō)可以輸出的最小頻率為0.011Hz

此外我們最為常見(jiàn)的分頻器分為以下4種分析：

1.偶數(shù)分頻

最簡(jiǎn)單，要想得到分頻系數(shù)為N的頻率輸出，設(shè)定一個(gè)計(jì)數(shù)器，這個(gè)計(jì)數(shù)器從零開(kāi)始加1，當(dāng)加到N/2-1時(shí)計(jì)數(shù)器清零，或者clkout翻轉(zhuǎn)，以此循環(huán)，即可實(shí)現(xiàn)偶數(shù)倍分頻。

2.奇數(shù)分頻（分占空比不確定以及占空比50%）

方法一：分頻系數(shù)為N，占總比不確定：以三（N）分頻為例，上升沿觸發(fā)計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到1（N-1）/2時(shí)輸出時(shí)鐘翻轉(zhuǎn)，計(jì)數(shù)到2（N-1）時(shí)再次翻轉(zhuǎn)。代碼為產(chǎn)生1/11占空比為十一分頻時(shí)鐘：在計(jì)數(shù)值為9和10時(shí)均反轉(zhuǎn)時(shí)鐘，是產(chǎn)生抽樣脈沖的有效方法：

always @（posedge clk or posedge rst） begin

if（rst）begin //復(fù)位

cnt《=0;

clk_div11《=0;

end

elseif（cnt==9） begin

clk_div11《=~clk_div11; //時(shí)鐘翻轉(zhuǎn)

cnt《=cnt+1; //繼續(xù)計(jì)數(shù)

end

elseif（cnt==10） begin

clk_div11《=~clk_div11; //時(shí)鐘翻轉(zhuǎn)

cnt《=0; //計(jì)數(shù)清零

end

else

cnt《=cnt+1;

end

占空比50% ，則可以在上面的基礎(chǔ)上，加上一個(gè)下降沿觸發(fā)計(jì)數(shù)，然后將上升沿和下降沿產(chǎn)生的時(shí)鐘進(jìn)行相或運(yùn)算，即可得到奇數(shù)分頻輸出。

reg clk1;

reg［1:0］cnt1;

always@（posedge clk or posedge rst） begin

if（rst）begin //復(fù)位

cnt1《=0;

clk1《=0;

end

elseif（cnt1==1） begin

clk1《=~clk1; //時(shí)鐘翻轉(zhuǎn)

cnt1《=cnt1+1; //繼續(xù)計(jì)數(shù)

end

elseif（cnt1==2） begin

clk1《=~clk1; //時(shí)鐘翻轉(zhuǎn)

cnt1《=0; //計(jì)數(shù)清零

end

else

cnt1《=cnt1+1;

end

reg clk2;

reg［1:0］cnt2;

always@（negedge clk or posedge rst） begin

if（rst）begin //復(fù)位

cnt2《=0;

clk2《=0;

end

elseif（cnt2==1） begin

clk2《=~clk2; //時(shí)鐘翻轉(zhuǎn)

cnt2《=cnt2+1; //繼續(xù)計(jì)數(shù)

end

elseif（cnt2==2） begin

clk2《=~clk2; //時(shí)鐘翻轉(zhuǎn)

cnt2《=0; //計(jì)數(shù)清零

end

else

cnt2《=cnt2+1;

end

assign clk_div3=clk1 | clk2; //或運(yùn)算

方法二：對(duì)進(jìn)行奇數(shù)倍n分頻時(shí)鐘，先進(jìn)行n/2分頻，然后在二分頻得到（這部分先講半整數(shù)分頻）

親測(cè)有效代碼：

module ModuloN_Cntr（input clk，rst，output clk_out）;

reg ［1:0］cnt1;

reg ［1:0］cnt2;

reg temp1，temp2;

always@（posedge clk or negedge rst）

begin

if（~rst）

begin

cnt1《=0;

temp1《=0;

end

else

begin

if（cnt1==2）

begin

temp1《=1;

cnt1《=0;

end

else

begin

cnt1《=cnt1+1;

temp1《=0;

end

end

end

always@（negedge clk or negedge rst）

begin

if（~rst）

begin

cnt2《=0;

temp2《=0;

end

else

begin

if（cnt2==2）

begin

temp2《=1;

cnt2《=0;

end

else

begin

cnt2《=cnt2+1;

temp2《=0;

end

end

end

assign clk_out=temp1|temp2;

endmodule

仿真波形：

3.半整數(shù)分頻

半整數(shù)指的是N+0.5分頻器設(shè)計(jì)：先進(jìn)行模N+1計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)到N時(shí)輸出時(shí)鐘賦值為1，然后當(dāng)計(jì)數(shù)到0時(shí)，輸出時(shí)鐘賦值為0，因此保持計(jì)數(shù)值為N的時(shí)間為半個(gè)時(shí)鐘周期即為設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，從中可以發(fā)現(xiàn)，計(jì)數(shù)器是在時(shí)鐘的上升沿計(jì)數(shù)，那么我們可以讓時(shí)鐘在計(jì)數(shù)值為N時(shí)，將計(jì)數(shù)觸發(fā)時(shí)鐘翻轉(zhuǎn)，時(shí)鐘的下降沿變?yōu)樯仙?，因此?jì)數(shù)值為0，所以每產(chǎn)生一個(gè)N+0.5分頻時(shí)鐘周期，觸發(fā)時(shí)鐘都要翻轉(zhuǎn)一次，以2.5分頻為例程序如下：

//異或運(yùn)算

assignclk_in=clk^clk_div2;

//模3計(jì)數(shù)器

reg clk_out;

reg ［1:0］cnt;

always@（posedge clk_in or posedge rst） begin

if（rst）begin //復(fù)位

cnt《=0;

clk_out《=0;

end

elseif（cnt==1） begin

clk_out《=~clk_out; //時(shí)鐘翻轉(zhuǎn)

cnt《=cnt+1; //繼續(xù)計(jì)數(shù)

end

elseif（cnt==2） begin

clk_out《=~clk_out; //時(shí)鐘翻轉(zhuǎn)

cnt《=0; //計(jì)數(shù)清零

end

else

cnt《=cnt+1;

end

//2分頻

reg clk_div2;

always@（posedge clk_out or posedge rst） begin

if（rst） clk_div2《=0; //復(fù)位

else clk_div2=~clk_div2;

end

那么5.5分頻呢：

代碼：通用的這里N=5；

module ModuloN_Cntr（clk，clk_div，temp1，temp2）;//N+0.5

input clk;

output clk_div;

reg［31:0］cnt1=0;

reg［31:0］cnt2=0;

output reg temp1，temp2;

initial begin temp1=0;temp2=1;end //首先進(jìn)行初始化，temp1=0;temp2=1

parameter N=5; //設(shè)定分頻系數(shù)為N+0.5

always @（posedge clk） //temp1上升沿跳變

begin

if（cnt1==2*N） //2*N

begin cnt1［31:0］《=32‘d0;end

else begin cnt1［31:0］《=cnt1［31:0］+32’d1;end

if（cnt1==32‘d0） begin temp1《=1;end //高電平時(shí)間為N+1;

if（cnt1==N+1） begin temp1《=0;end //低電平時(shí)間為N;

end

always@（negedge clk） //temp2下降沿跳變

begin

if（cnt2==2*N） //2*N

begin cnt2［31:0］《=32’d0;end

else begin cnt2［31:0］《=cnt2［31:0］+32‘d1;end

if（cnt2==32’d0） begin temp2《=0;end //低電平時(shí)間為N;

if（cnt2==N） begin temp2《=1;end //高電平時(shí)間為N+1;

end

assign clk_div=temp1&&temp2; //邏輯與

endmodule

//如果要進(jìn)行N+0.5分頻

//思路：總的來(lái)說(shuō)要進(jìn)行N+1+N=2N+1次分頻

//在時(shí)鐘的上升沿和下降沿都進(jìn)行跳變

//上升沿進(jìn)行占空比為N+1比N的時(shí)鐘temp1;

//下降沿進(jìn)行占空比為N比N+1的時(shí)鐘temp2;

//最后div=temp1&&temp2 即可得到所需要的半整數(shù)分頻

仿真波形：

4.任意小數(shù)分頻

小數(shù)分頻器的實(shí)現(xiàn)方法有很多中，但其基本原理都一樣的，即在若干個(gè)分頻周期中采取某種方法使某幾個(gè)周期多計(jì)或少計(jì)一個(gè)數(shù)，從而在整個(gè)計(jì)數(shù)周期的總體平均意義上獲得一個(gè)小數(shù)分頻比。一般而言，這種分頻由于分頻輸出的時(shí)鐘脈沖抖動(dòng)很大，故在設(shè)計(jì)中的使用已經(jīng)非常少。但是，這也是可以實(shí)現(xiàn)的。以8.7倍分頻為例，本文僅僅給出雙模前置小數(shù)分頻原理的verilog代碼及其仿真圖（如圖6），具體原理可以參考劉亞海的《基于FPGA的小數(shù)分頻器的實(shí)現(xiàn)》以及毛為勇的《基于FPGA的任意小數(shù)分頻器的設(shè)計(jì)》。

//8分頻

reg clk_div8;

reg［2:0］cnt_div8;

always@（posedge clk or posedge rst） begin

if（rst）begin //復(fù)位

clk_div8《=0;

cnt_div8《=0;

end

elseif（cnt_div8==3‘d7） begin

clk_div8《=1; //置1

cnt_div8《=0;

end

elseif（cnt_div8==3’d0） begin

clk_div8《=0; //置0

cnt_div8《=cnt_div8+1;

end

else

cnt_div8《=cnt_div8+1;

end

//9分頻

reg clk_div9;

reg［3:0］cnt_div9;

always@（posedge clk or posedge rst） begin

if（rst）begin //復(fù)位

clk_div9《=0;

cnt_div9《=0;

end

elseif（cnt_div9==3‘d8） begin

clk_div9《=1; //置1

cnt_div9《=0;

end

elseif（cnt_div9==3’d0） begin

clk_div9《=0; //置0

cnt_div9《=cnt_div9+1;

end

else

cnt_div9《=cnt_div9+1;

end

//控制信號(hào)

parameterDiv8Num=3;

reg ctrl;

reg［3:0］AddValue;

always@（posedge clk or posedge rst） begin

if（rst）begin //復(fù)位

ctrl《=0;

AddValue《=10-7;

end

elseif（AddValue《10） begin

ctrl《=0;

AddValue《=AddValue+Div8Num;

end

else begin

ctrl《=1;

AddValue《=AddValue-10;

end

end

//選擇輸出

reg clk_out;

always @（ctrlor posedge clk or posedge rst） begin

if（rst） clk_out《=0; //復(fù)位

elseif（ctrl） clk_out《=clk_div8;

elseclk_out《=clk_div9;

end

4、總結(jié)分頻器是FPGA的基礎(chǔ)，而且在FPGA邏輯電路設(shè)計(jì)的時(shí)候是經(jīng)常使用的，希望大家對(duì)以上的整數(shù)倍分頻和半整數(shù)倍分頻能熟練掌握

原文標(biāo)題：關(guān)于分頻器的FPGA實(shí)現(xiàn)整理思路

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