基于CPLD/FPGA的多功能分頻器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

 引言

    分頻器在CPLD/FPGA設(shè)計(jì)中使用頻率比較高,盡管目前大部分設(shè)計(jì)中采用芯片廠家集成的鎖相環(huán)資源 ,但是對(duì)于要求奇數(shù)倍分頻（如3、5等）、小數(shù)倍（如2.5、3.5等）分頻、占空比50%的應(yīng)用場(chǎng)合卻往往不能滿足要求。硬件工程師希望有一種靈活的設(shè)計(jì)方法,根據(jù)需要,在實(shí)驗(yàn)室就能設(shè)計(jì)分頻器并馬上投入使用,更改頻率時(shí)無(wú)需改動(dòng)原器件或電路板,只需重新編程,在數(shù)分鐘內(nèi)即可完成。為此本文基于 CPLD/FPGA用原理圖和VHDL語(yǔ)言混合設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一多功能通用分頻器。

    分頻原理

    偶數(shù)倍（2N）分頻

    使用一模N計(jì)數(shù)器模塊即可實(shí)現(xiàn),即每當(dāng)模N計(jì)數(shù)器上升沿從0開(kāi)始計(jì)數(shù)至N時(shí),輸出時(shí)鐘進(jìn)行翻轉(zhuǎn),同時(shí)給計(jì)數(shù)器一復(fù)位信號(hào)使之從0開(kāi)始重新計(jì)數(shù),以此循環(huán)即可。偶數(shù)倍分頻原理示意圖見(jiàn)圖1。

    奇數(shù)倍（2N+1）分頻

    （1）占空比為X/(2N+1)或（2N＋1-X）/（2N+1）分頻,用模（2N＋1）計(jì)數(shù)器模塊可以實(shí)現(xiàn)。取0至2N之間一數(shù)值X(0< X<2N),當(dāng)計(jì)數(shù)器時(shí)鐘上升沿從0開(kāi)始計(jì)數(shù)到X值時(shí)輸出時(shí)鐘翻轉(zhuǎn)一次,在計(jì)數(shù)器繼續(xù)計(jì)數(shù)達(dá)到2N＋1時(shí),輸出時(shí)鐘再次翻轉(zhuǎn)并對(duì)計(jì)數(shù)器置一復(fù)位信號(hào),使之從0開(kāi)始重新計(jì)數(shù),即可實(shí)現(xiàn)。

    （2）占空比為50％的分頻,設(shè)計(jì)思想如下：基于（1）中占空比為非50％的輸出時(shí)鐘在輸入時(shí)鐘的上升沿觸發(fā)翻轉(zhuǎn);若在同一個(gè)輸入時(shí)鐘周期內(nèi),此計(jì)數(shù)器的兩次輸出時(shí)鐘翻轉(zhuǎn)分別在與（1）中對(duì)應(yīng)的下降沿觸發(fā)翻轉(zhuǎn),輸出的時(shí)鐘與（1）中輸出的時(shí)鐘進(jìn)行邏輯或,即可得到占空比為50％的奇數(shù)倍分頻時(shí)鐘。當(dāng)然其輸出端再與偶數(shù)倍分頻器串接則可以實(shí)現(xiàn)偶數(shù)倍分頻。奇數(shù)倍分頻原理示意圖見(jiàn)圖2。    

    N-0.5倍分頻

    采用模N計(jì)數(shù)器可以實(shí)現(xiàn)。具體如下：計(jì)數(shù)器從0開(kāi)始上升沿計(jì)數(shù),計(jì)數(shù)達(dá)到N-1上升沿時(shí),輸出時(shí)鐘需翻轉(zhuǎn),由于分頻值為N-0.5,所以在時(shí)鐘翻轉(zhuǎn)后經(jīng)歷 0.5個(gè)周期時(shí),計(jì)數(shù)器輸出時(shí)鐘必須進(jìn)行再次翻轉(zhuǎn),即當(dāng)CLK為下降沿時(shí)計(jì)數(shù)器的輸入端應(yīng)為上升沿脈沖,使計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)達(dá)到N而復(fù)位為0重新開(kāi)始計(jì)數(shù)同時(shí)輸出時(shí)鐘翻轉(zhuǎn)。這個(gè)過(guò)程所要做的就是對(duì)CLK進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖儞Q,使之送給計(jì)數(shù)器的觸發(fā)時(shí)鐘每經(jīng)歷N-0.5個(gè)周期就翻轉(zhuǎn)一次。N-0.5倍：取N=3,分頻原理示意圖見(jiàn)圖3。

    對(duì)于任意的N＋A/B倍分頻（N、A、B∈Z,A≦B）

    分別設(shè)計(jì)一個(gè)分頻值為N和分頻值N＋1的整數(shù)分頻器,采用脈沖計(jì)數(shù)來(lái)控制單位時(shí)間內(nèi)兩個(gè)分頻器出現(xiàn)的次數(shù),從而獲得所需要的小數(shù)分頻值?？梢圆扇∪缦路椒▉?lái)計(jì)算個(gè)子出現(xiàn)的頻率：

    設(shè)N出現(xiàn)的頻率為a,則N×a＋（N+1）×（B-a）＝N×B＋A 求解a＝B-A; 所以N＋1出現(xiàn)的頻率為A.例如實(shí)現(xiàn)7＋2/5分頻,取a為3,即7×3＋8×2就可以實(shí)現(xiàn)。但是由于這種小數(shù)分頻輸出的時(shí)鐘脈沖抖動(dòng)很大,現(xiàn)實(shí)中很少使用,本次設(shè)計(jì)未予以設(shè)計(jì)。

    采用VHDL語(yǔ)言可以實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)器的下降沿觸發(fā)翻轉(zhuǎn),并且CPLD/FPGA具有可并行執(zhí)行的特性,可以保證兩種不同的觸發(fā)翻轉(zhuǎn)以及分頻時(shí)鐘輸出保持同步,所以上述分頻方法可以基于CPLD/FPGA予以實(shí)現(xiàn)。

    綜合上述分析,實(shí)現(xiàn)多功能分頻器功能的設(shè)計(jì)框圖如圖4所示。

    多功能分頻器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

    本設(shè)計(jì)使用第三方EDA開(kāi)發(fā)工具Protel DXP。該開(kāi)發(fā)工具支持層次原理圖及VHDL語(yǔ)言混合設(shè)計(jì)并能進(jìn)行編譯、時(shí)序和功能仿真,支持Xilinx、Altera、Lattice等公司的系列 CPLD/FPGA器件,并且具有設(shè)計(jì)直觀、層次性好等優(yōu)點(diǎn)。在設(shè)計(jì)中采用兩級(jí)原理圖和底層VHDL語(yǔ)言三級(jí)結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn),使整個(gè)的設(shè)計(jì)以功能模塊化,便于程序修改、功能升級(jí)和分頻系數(shù)的設(shè)定。對(duì)于分頻值的設(shè)定采取了軟件設(shè)定的方法,即只需在VHDL語(yǔ)言程序中按照自己的需求對(duì)相應(yīng)的參數(shù)作修改、設(shè)定,而且設(shè)定值的取值靈活。頂層原理圖、次級(jí)原理圖分別如圖5、6。

    本次設(shè)計(jì)CK延時(shí)3ns后設(shè)值為111,即功能模塊全部選中工作;偶數(shù)倍分頻模塊中模N計(jì)數(shù)器N設(shè)置為2,實(shí)現(xiàn)四分頻;奇數(shù)倍分頻模塊中模2N+1計(jì)數(shù)器 N設(shè)置為1實(shí)現(xiàn)三分頻,占空比X設(shè)置為1即分頻系數(shù)為1/3,模M計(jì)數(shù)器M值設(shè)置為2實(shí)現(xiàn)2M*(2N+1)=12分頻;N-0.5倍分頻模塊中N設(shè)置為 3,實(shí)現(xiàn)2.5分頻。從方針波形中可以看出,實(shí)現(xiàn)了通用多功能分頻器。若要得到其他值,只需修改相應(yīng)功能模塊的VHDL語(yǔ)言中的相關(guān)的參數(shù),再進(jìn)行編譯、綜合適配、下載即可。

    器件適配及仿真波形

    本 設(shè)計(jì)采用Xilinx XC9536-5-PC44 CPLD器件實(shí)現(xiàn),經(jīng)綜合適配后其報(bào)表如表1。

       仿真波形如圖7。

    結(jié)束語(yǔ)

    本文介紹了基于CPLD/FPGA的多功能分頻器的設(shè)計(jì)方法,給出了原理圖并用VHDL語(yǔ)言予以實(shí)現(xiàn)。結(jié)合ISP技術(shù),基于CPLD/FPGA的分頻器可以變得像軟件那樣靈活且易于修改、升級(jí),能夠在同一個(gè)器件內(nèi)實(shí)現(xiàn)多種分頻功能,使之成為一種多功能硬件。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造過(guò)程中、甚至在交付用戶使用之后,仍可根據(jù)要求對(duì)器件進(jìn)行邏輯重構(gòu)和功能修改。在數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,為用戶提供了一種低成本的解決方案,減少了工作量和成本。