偶數(shù)分頻/奇數(shù)分頻/分數(shù)分頻詳解

大家在參加IC相關(guān)工作筆試或者面試的時候，經(jīng)常會碰到類似的題目：

怎樣用D觸發(fā)器、與或非門組成二分頻電路?

用D觸發(fā)器實現(xiàn)3倍分頻的Verilog描述?

任意切換1-8分頻，且無論奇分頻還是偶分頻，占空比均為50%，寫出verilog代碼;

時鐘分頻電路(分頻器)在IC設計中經(jīng)常會用到，其目的是產(chǎn)生不同頻率的時鐘，滿足系統(tǒng)的需要。 比如一個系統(tǒng)，常規(guī)操作都是在1GHz時鐘下完成，突然要執(zhí)行一個操作涉及到模擬電路，所需時間是us量級的，顯然用1GHz(周期是1ns)的時鐘進行操作是不合適的。

時鐘分頻器電路可以分為數(shù)字分頻器、模擬分頻器和射頻分頻器等。 數(shù)字分頻器通過一個計數(shù)器來進行分頻，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)。 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)。

這篇文章IC君就跟大家聊一聊數(shù)字分頻器。 對于精度不高的場合，數(shù)字分頻器分出的時鐘就可以滿足要求。 常用到數(shù)字分頻器有2,4,6,8，…… 偶數(shù)分頻，也會有3,5,7，9…… 奇數(shù)分頻，甚至還會有8.7,11.2,6.432，…… 分數(shù)分頻。

偶數(shù)分頻是最容易掌握的，奇數(shù)分頻就有些技巧，如果你不知道奇數(shù)分頻技巧，就可能會被一些公司的面試或者考試題目給難住，錯失一些機會。 而像8.7,11.2,6.432，…… 這種分數(shù)分頻器就更需要技巧。 掌握這些通用的技巧就能很快的實現(xiàn)各種分頻器，滿足系統(tǒng)的需求。 下面IC君就跟大家分別聊一下偶數(shù)分頻、奇數(shù)分頻、分數(shù)(小數(shù))分頻器。

1偶數(shù)分頻

偶數(shù)分頻器的實現(xiàn)簡單，用計數(shù)器在上升沿或者下降沿計數(shù)，當計數(shù)器的值等于分頻系數(shù)的一半或等于分頻系數(shù)時，信號翻轉(zhuǎn)。 偶數(shù)分頻器分頻原理如下圖所示：

上圖的的分頻系數(shù)是4，就是4分頻。 電路原理是用一個上升沿計數(shù)的計數(shù)器，每次計數(shù)到2時輸出信號clkout翻轉(zhuǎn)一次，每次計數(shù)到4時clkout再翻轉(zhuǎn)一次，一直周期重復下去。 其他的偶數(shù)分頻器原理也是一樣。 從波形中可以看出cnt
從00->01->10->11->00......一直循環(huán)記數(shù)，如果你夠仔細，就可以看出cnt的最高位其實也是一個4分頻的時鐘。

如果偶數(shù)分頻系數(shù)是2的冪，就可以用2分頻器級聯(lián)得到; 例如4分頻就是兩個2分頻級聯(lián)，下圖就是用兩個2分頻器級聯(lián)得到4分頻器。

2奇數(shù)分頻

奇數(shù)分頻器跟偶數(shù)分頻器一樣，當計數(shù)器的值等于分頻系數(shù)(加1或者減1)的一半或等于分頻系數(shù)時，時鐘信號翻轉(zhuǎn)。 奇數(shù)分頻器分頻原理如下圖：

上圖的分頻系數(shù)是3，用一個計數(shù)器在上升沿計數(shù)，每次計數(shù)到1翻轉(zhuǎn)一次，每次計數(shù)到3再翻轉(zhuǎn)一次，然后周期重復得到信號clkp1，它的周期就是clk的3倍，但是它的占空比不是50%(占空比就是clk為高的時間占整個時鐘周期的百分比)。 奇數(shù)分頻想通過計數(shù)器直接分頻出占空比是50%的時鐘是不可能的，必須要通過中間的臨時波形，做一些邏輯“與”“或”的動作才能得到占空比50%的分頻時鐘。

用一個下降沿的D觸發(fā)器鎖存clkp1得到信號clkn1,把信號clkp1和信號clkn1做邏輯“與”就得到了占空比50%的3分頻時鐘信號clkout。

另外一種產(chǎn)生3分頻時鐘的方法：假設計數(shù)器在計數(shù)到1的下降沿分頻后的時鐘信號clkn2翻轉(zhuǎn)一次，計數(shù)到2的下降沿clkn2再翻轉(zhuǎn)一次,
再利用下圖電路調(diào)整占空比到50%：

用一個正常的D觸發(fā)器鎖存clkn2得到信號clkp2, clkn2“或”上clkp2就可以得到占空比50%的3分頻時鐘信號clkout。

其他的奇數(shù)分頻器調(diào)整占空比的原理也是相同的。

3分數(shù)分頻

分數(shù)分頻也叫小數(shù)分頻器，比如8.7分頻。 因為沒辦法用計數(shù)器表示0.7這種數(shù)字，所以就用一個等效的概念來進行8.7分頻，原時鐘87個周期的總時間等于分頻后的時鐘10個周期的總時間;

先做3次8分頻得到時鐘周期數(shù)是24，再做7次9(8加1)分頻得到時鐘周期數(shù)63，總共就87個時鐘周期; 在這87個時鐘周期里面分頻時鐘跳變20次總共10個周期。 分數(shù)分頻器的原理可以用下圖來概括。

用整數(shù)部分zn(=8)作為一個分頻系數(shù)，zn加1(=9)作為另外一個分頻系數(shù)組成一個小數(shù)分頻器。

根據(jù)上面的原理可以列出下面的二元一次方程組

zn*N+（zn+1）*M=87 ......(1)

N+M=10 ...(2)

可以解出N和M的值分別是3和7。

如果分頻系數(shù)6.432，那么有下面的二元一次方程組，zn是6

zn*N+（zn+1）*M=6432 ......(1)

N+M=1000 ......(2)

解出N和M的值分別是568和432，這個值就很大了，計數(shù)器的位寬也變大了，也就是說小數(shù)部分位數(shù)越多，需要的計數(shù)器的位寬越大，消耗的硬件資源越多。 不過568,432,1000這幾個數(shù)有公約數(shù)，可以除以最大公約數(shù)，把計數(shù)數(shù)值減小。

如下圖所示：一個小數(shù)分頻器就有兩部分組成：ZN和ZN+1為分頻系數(shù)的多路分頻器，還有一個ACC計數(shù)器。

分頻器在輸入信號enout=0的時候是ZN分頻;

分頻器在輸入信號enout=1的時候是ZN+1分頻;

ACC計數(shù)器的作用對ZN分頻和ZN+1分頻的次數(shù)計數(shù)，對于一位小數(shù)計數(shù)總次數(shù)為10(兩位小數(shù)為100...)，輸出信號enout決定下次是ZN分頻還是ZN+1分頻。

由于篇幅關(guān)系，小數(shù)分頻器的具體電路設計就留到下一篇文章講。