一種基于FPGA的數(shù)字分頻器設(shè)計(jì)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(chǔ)、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(jì)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(jì)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(jì)技術(shù)取得了飛躍發(fā)展及突破。

分頻器通常用來(lái)對(duì)某個(gè)給定的時(shí)鐘頻率進(jìn)行分頻，以得到所需的時(shí)鐘頻率。在設(shè)計(jì)數(shù)字電路中會(huì)經(jīng)常用到多種不同頻率的時(shí)鐘脈沖，一般采用由一個(gè)固定的晶振時(shí)鐘頻率來(lái)產(chǎn)生所需要的不同頻率的時(shí)鐘脈沖的方法進(jìn)行時(shí)鐘分頻。

在FPGA的設(shè)計(jì)中分頻器是使用頻率較高的基本設(shè)計(jì)，在很多的設(shè)計(jì)中也會(huì)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(lái)進(jìn)行時(shí)鐘的分頻、倍頻與相移。在一些對(duì)時(shí)鐘精度不高的場(chǎng)合，會(huì)經(jīng)常利用硬件描述語(yǔ)言來(lái)對(duì)時(shí)鐘源進(jìn)行時(shí)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(jì)的需要，有時(shí)還會(huì)要求等占空比。數(shù)字分頻器采用的是計(jì)數(shù)器的原理，權(quán)值為分頻系數(shù)。模擬分頻器就是一個(gè)頻率分配器，用帶阻帶通實(shí)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(shí)現(xiàn)。

隨著FPGA技術(shù)的發(fā)展，基于FPGA技術(shù)的硬件設(shè)計(jì)數(shù)字分頻器已成為數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)是基于FPGA的數(shù)字分頻器，通過(guò)VHDL硬件設(shè)計(jì)語(yǔ)言，在Modelsim6.5上對(duì)設(shè)計(jì)的分頻器進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

2. 數(shù)字分頻器的設(shè)計(jì)

數(shù)字分頻器的設(shè)計(jì)與模擬分頻器的設(shè)計(jì)不同，數(shù)字分頻器可以使用觸發(fā)器設(shè)計(jì)電路對(duì)時(shí)鐘脈沖進(jìn)行時(shí)鐘分頻。分頻器的一個(gè)重要指標(biāo)就是占空比，即在一個(gè)周期中高電平脈沖在整個(gè)周期中所占的比例。占空比一般會(huì)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(shí)鐘分頻原理也各不同。在FPGA的數(shù)字分頻器設(shè)計(jì)中，主要分為整數(shù)分頻器、小數(shù)分頻器和分?jǐn)?shù)分頻器?，F(xiàn)在分別介紹整數(shù)分頻器的設(shè)計(jì)、小數(shù)分頻器的設(shè)計(jì)和分?jǐn)?shù)分頻器的設(shè)計(jì)。

2.1 整數(shù)分頻器的設(shè)計(jì)

整數(shù)分頻器是指基準(zhǔn)時(shí)鐘與所需的時(shí)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(shí)鐘分頻原理會(huì)根據(jù)時(shí)鐘分頻的要求不同而不同，但均可采用標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)器原理來(lái)實(shí)現(xiàn)。

偶數(shù)分頻器的設(shè)計(jì)原理較為簡(jiǎn)單，主要是利用計(jì)數(shù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。假設(shè)要進(jìn)行n（n為偶數(shù)）分頻，設(shè)定一個(gè)在分頻時(shí)鐘上升沿觸發(fā)的計(jì)數(shù)器循環(huán)計(jì)數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)計(jì)數(shù)器值為0-（（n/2）-1）時(shí)，輸出時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，同時(shí)給計(jì)數(shù)器一個(gè)復(fù)位信號(hào)，使下一個(gè)時(shí)鐘上升沿到來(lái)時(shí)，計(jì)數(shù)器重新開始計(jì)數(shù)，由此不斷循環(huán)。

奇數(shù)分頻器的設(shè)計(jì)原理與偶數(shù)分頻的設(shè)計(jì)方法很相似，都是通過(guò)計(jì)數(shù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。如果要進(jìn)行n（n為奇數(shù)）分頻，直接設(shè)計(jì)n進(jìn)制的計(jì)數(shù)器即可。還有一種方法就是選擇兩個(gè)計(jì)數(shù)器cnt1和cnt2，分別在時(shí)鐘上升沿和下降沿觸發(fā)計(jì)數(shù)。cnt1和cnt2均當(dāng)計(jì)數(shù)器值為0-（（n/2）-1）時(shí)，輸出時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，同時(shí)給計(jì)數(shù)器一個(gè)時(shí)鐘復(fù)位信號(hào)，使下一個(gè)時(shí)鐘上升沿到來(lái)時(shí)，計(jì)數(shù)器重新開始計(jì)數(shù)，如此進(jìn)行循環(huán)下去。由此可知，計(jì)數(shù)器cnt1和cnt2的實(shí)現(xiàn)方法一樣，只是翻轉(zhuǎn)邊沿不一樣，最終輸出的時(shí)鐘為clkout = clk1 + clk2。

2.2 小數(shù)分頻器的設(shè)計(jì)

小數(shù)分頻的基本原理是采用脈沖吞吐計(jì)數(shù)器和鎖相環(huán)技術(shù)先設(shè)計(jì)兩個(gè)不同分頻比的整數(shù)分頻器，然后通過(guò)控制單位時(shí)間內(nèi)兩種分頻比出現(xiàn)的不同次數(shù)來(lái)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(shí)，可控制扣除脈沖的時(shí)間，以使輸出成為一個(gè)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(jì)方案，但其基本原理是一樣的，都是在若干個(gè)分頻周期中采取某種方法使幾個(gè)周期多計(jì)一個(gè)數(shù)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。還有一種分頻方法就是，利用狀態(tài)機(jī)和計(jì)數(shù)器。假設(shè)時(shí)鐘信號(hào)的頻率為1khz，需要產(chǎn)生750khz的分頻信號(hào)，其分頻系數(shù)為6/8。基本設(shè)計(jì)思想是，在8個(gè)時(shí)鐘信號(hào)中保留6個(gè)時(shí)鐘信號(hào)。這種方法是需要預(yù)先設(shè)定狀態(tài)機(jī)的個(gè)數(shù)，主要用于已經(jīng)知道需要使用哪一個(gè)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(jì)方法是，假設(shè)要進(jìn)行m，n時(shí)鐘分頻（其中m、n都是整數(shù)，且n《10），因?yàn)橹挥幸晃恍?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(jì)一個(gè)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(guò)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(jì)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(jì)

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(jì)算，所以分?jǐn)?shù)分頻的設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)及仿真

利用FPGA對(duì)8192kHz的基準(zhǔn)時(shí)鐘進(jìn)行時(shí)鐘分頻，分別得到1024kHz、512kHz、256kHz和1kHz的時(shí)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(jì)整數(shù)分頻器時(shí)，通過(guò)VHDL硬件描述語(yǔ)言利用計(jì)數(shù)器方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.1 1024kHz時(shí)鐘分頻

根據(jù)所需的時(shí)鐘頻率為1024kHz的時(shí)鐘，而晶振時(shí)鐘的頻率為8192kHz，晶振時(shí)鐘與所需的時(shí)鐘頻率恰巧是8倍的整數(shù)倍關(guān)系，因此需要對(duì)8192kHz的晶振時(shí)鐘進(jìn)行8分頻來(lái)獲得所需要的時(shí)鐘。根據(jù)整數(shù)倍分頻器的設(shè)計(jì)方法原理，通過(guò)ISE9.1邏輯設(shè)計(jì)工具，利用VHDL硬件描述語(yǔ)言來(lái)進(jìn)行8分頻的分頻器設(shè)計(jì)。然而8又是偶數(shù)，所以需要設(shè)計(jì)的是偶數(shù)分頻器。對(duì)設(shè)計(jì)的內(nèi)容通過(guò)Modelsim6.5仿真軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證，結(jié)果如圖3-1所示。

圖3-1 1024kHz時(shí)鐘分頻

由圖3-1得知，當(dāng)8192kHz的晶振時(shí)鐘輸入8個(gè)時(shí)鐘，系統(tǒng)輸出1個(gè)時(shí)鐘，即一個(gè)1024kHz頻率的時(shí)鐘。程序設(shè)計(jì)中采用計(jì)數(shù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)計(jì)數(shù)器值為0-（（n/2）-1）=-3時(shí)，輸出時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，同時(shí)給計(jì)數(shù)器一個(gè)復(fù)位信號(hào)，使下一個(gè)時(shí)鐘上升沿到來(lái)時(shí)，計(jì)數(shù)器重新開始計(jì)數(shù)，不斷循環(huán)下去。

3.2 512kHz時(shí)鐘分頻

根據(jù)所需的時(shí)鐘頻率為512kHz的時(shí)鐘，而晶振時(shí)鐘的頻率為8192kHz，晶振時(shí)鐘與所需的時(shí)鐘頻率恰巧是16倍的整數(shù)倍關(guān)系，因此需要對(duì)8192kHz的晶振時(shí)鐘進(jìn)行16分頻來(lái)獲得所需要的時(shí)鐘。根據(jù)整數(shù)倍分頻器的設(shè)計(jì)方法原理，通過(guò)ISE9.1邏輯設(shè)計(jì)工具，利用VHDL硬件描述語(yǔ)言來(lái)進(jìn)行16分頻的分頻器設(shè)計(jì)。然而16又是偶數(shù)，所以需要設(shè)計(jì)的是偶數(shù)分頻器。對(duì)設(shè)計(jì)的內(nèi)容通過(guò)Modelsim6.5仿真軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證，結(jié)果如圖3-2所示。

圖3-2 512kHz時(shí)鐘分頻

由圖3-2得知，當(dāng)8192kHz的晶振時(shí)鐘輸入16個(gè)時(shí)鐘，系統(tǒng)輸出1個(gè)時(shí)鐘，即一個(gè)512kHz頻率的時(shí)鐘。程序設(shè)計(jì)中采用計(jì)數(shù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)計(jì)數(shù)器值為0-（（n/2）-1）=-7時(shí)，輸出時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，同時(shí)給計(jì)數(shù)器一個(gè)復(fù)位信號(hào)，使下一個(gè)時(shí)鐘上升沿到來(lái)時(shí)，計(jì)數(shù)器重新開始計(jì)數(shù)，不斷循環(huán)下去。

3.3 256kHz時(shí)鐘分頻

根據(jù)所需的時(shí)鐘頻率為256kHz的時(shí)鐘，而晶振時(shí)鐘的頻率為8192kHz，晶振時(shí)鐘與所需的時(shí)鐘頻率恰巧是32倍的整數(shù)倍關(guān)系，因此需要對(duì)8192kHz的晶振時(shí)鐘進(jìn)行32分頻來(lái)獲得所需要的時(shí)鐘。根據(jù)整數(shù)倍分頻器的設(shè)計(jì)方法原理，通過(guò)ISE9.1邏輯設(shè)計(jì)工具，利用VHDL硬件描述語(yǔ)言來(lái)進(jìn)行32分頻的分頻器設(shè)計(jì)。然而32又是偶數(shù)，所以需要設(shè)計(jì)的是偶數(shù)分頻器。對(duì)設(shè)計(jì)的內(nèi)容通過(guò)Modelsim6.5仿真軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證，結(jié)果如圖3-3所示。

圖3-3 256kHz時(shí)鐘分頻

由圖3-3得知，當(dāng)8192kHz的晶振時(shí)鐘輸入32個(gè)時(shí)鐘，系統(tǒng)輸出1個(gè)時(shí)鐘，即一個(gè)256kHz頻率的時(shí)鐘。程序設(shè)計(jì)中采用計(jì)數(shù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)計(jì)數(shù)器值為0-（（n/2）-1）=-15時(shí)，輸出時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，同時(shí)給計(jì)數(shù)器一個(gè)復(fù)位信號(hào)，使下一個(gè)時(shí)鐘上升沿到來(lái)時(shí)，計(jì)數(shù)器重新開始計(jì)數(shù)，不斷循環(huán)下去。

3.4 1kHz時(shí)鐘分頻

根據(jù)所需的時(shí)鐘頻率為1kHz的時(shí)鐘，而晶振時(shí)鐘的頻率為8192kHz，晶振時(shí)鐘與所需的時(shí)鐘頻率恰巧是8192倍的整數(shù)倍關(guān)系，因此需要對(duì)8192kHz的晶振時(shí)鐘進(jìn)行8192分頻來(lái)獲得所需要的時(shí)鐘。根據(jù)整數(shù)倍分頻器的設(shè)計(jì)方法原理，通過(guò)ISE9.1邏輯設(shè)計(jì)工具，利用VHDL硬件描述語(yǔ)言來(lái)進(jìn)行8192分頻的分頻器設(shè)計(jì)。然而8192又是偶數(shù)，所以需要設(shè)計(jì)的是偶數(shù)分頻器。對(duì)設(shè)計(jì)的內(nèi)容通過(guò)Modelsim6.5仿真軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證，結(jié)果如圖3-4所示。

圖3-4 1kHz時(shí)鐘分頻

由圖3-4得知，當(dāng)8192kHz的晶振時(shí)鐘輸入8個(gè)時(shí)鐘，系統(tǒng)輸出1個(gè)時(shí)鐘，即一個(gè)1kHz頻率的時(shí)鐘。程序設(shè)計(jì)中采用計(jì)數(shù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)計(jì)數(shù)器值為0-（（n/2）-1）=-4095時(shí)，輸出時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，同時(shí)給計(jì)數(shù)器一個(gè)復(fù)位信號(hào)，使下一個(gè)時(shí)鐘上升沿到來(lái)時(shí)，計(jì)數(shù)器重新開始計(jì)數(shù)，不斷循環(huán)下去。

4. 結(jié)束語(yǔ)

本文給出了基于FPGA的數(shù)字分頻器設(shè)計(jì)方法。采用計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)8192kHz的基準(zhǔn)時(shí)鐘進(jìn)行分頻，分別得到1024kHz、512kHz、256kHz和1kHz的時(shí)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(shí)鐘。通過(guò)在Modelsim6.5仿真工具驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性。