基于CPLD/FPGA的半整數(shù)分頻器的設(shè)計(jì)實(shí)例

1 引言

CPLD（Complex programmable Logic Device，復(fù)雜可編程邏輯器件）和FPGA（Field programmable Gates Array，現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列）都是可編程邏輯器件，它們是在PAL、GAL等邏輯器件基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。同以往的PAL、GAL相比，F(xiàn)PGA/CPLD的規(guī)模比較大，適合于時(shí)序、組合等邏輯電路的應(yīng)用。它可以替代幾十甚至上百塊通用IC芯片。這種芯片具有可編程和實(shí)現(xiàn)方案容易改動(dòng)等特點(diǎn)。由于芯片內(nèi)部硬件連接關(guān)系的描述可以存放在磁盤、ROM、PROM、或EPROM中，因而在可編程門陣列芯片及外圍電路保持不動(dòng)的情況下，換一塊EPROM芯片，就能實(shí)現(xiàn)一種新的功能。它具有設(shè)計(jì)開發(fā)周期短、設(shè)計(jì)制造成本低、開發(fā)工具先進(jìn)、標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品無需測(cè)試、質(zhì)量穩(wěn)定以及實(shí)時(shí)在檢驗(yàn)等優(yōu)點(diǎn)，因此，可廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品的原理設(shè)計(jì)和產(chǎn)品生產(chǎn)之中。幾乎所有應(yīng)用門陣列、PLD和中小規(guī)模通用數(shù)字集成電路的場(chǎng)合均可應(yīng)用FPGA和CPLD器件。

在現(xiàn)代電子系統(tǒng)中，數(shù)字系統(tǒng)所占的比例越來越大。系統(tǒng)發(fā)展的越勢(shì)是數(shù)字化和集成化，而CPLD/FPGA作為可編程ASIC（專用集成電路）器件，它將在數(shù)字邏輯系統(tǒng)中發(fā)揮越來越重要的作用。

在數(shù)字邏輯電路設(shè)計(jì)中，分頻器是一種基本電路。通常用來對(duì)某個(gè)給定頻率進(jìn)行分頻，以得到所需的頻率。整數(shù)分頻器的實(shí)現(xiàn)非常簡單，可采用標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)數(shù)器，也可以采用可編程邏輯器件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。但在某些場(chǎng)合下，時(shí)鐘源與所需的頻率不成整數(shù)倍關(guān)系，此時(shí)可采用小數(shù)分頻器進(jìn)行分頻。比如：分頻系數(shù)為2.5、3.5、7.5等半整數(shù)分頻器。筆者在模擬設(shè)計(jì)頻率計(jì)脈沖信號(hào)時(shí)，就用了半整數(shù)分頻器這樣的電路。由于時(shí)鐘源信號(hào)為50MHz，而電路中需要產(chǎn)生一個(gè)20MHz的時(shí)鐘信號(hào)，其分頻比為2.5，因此整數(shù)分頻將不能勝任。為了解決這一問題，筆者利用VIDL硬件描述語言和原理圖輸入方式，通過MAX+plus II開發(fā)軟件和ALTERA公司的FLEX系列EPF10K10LC84-4型FPGA方便地完成了半整數(shù)分頻器電路的設(shè)計(jì)。

2 小數(shù)分頻的基本原理

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，然后通過控制單位時(shí)間內(nèi)兩種分頻比出現(xiàn)的不同次數(shù)來獲得所需要的小數(shù)分頻值。如設(shè)計(jì)一個(gè)分頻系數(shù)為10.1的分頻器時(shí)，可以將分頻器設(shè)計(jì)成9次10分頻，1次11分頻，這樣總的分頻值為：

F=（9×10+1×11）/（9+1）=10.1

從這種實(shí)現(xiàn)方法的特點(diǎn)可以看出，由于分頻器的分頻值不斷改變，因此分頻后得到的信號(hào)抖動(dòng)較大。當(dāng)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。

圖2 模3計(jì)數(shù)器仿真波形

3 電路組成

分頻系數(shù)為N-0.5的分頻器電路可由一個(gè)異或門、一個(gè)模N計(jì)數(shù)器和一個(gè)二分頻器組成。在實(shí)現(xiàn)時(shí)，模N計(jì)數(shù)器可設(shè)計(jì)成帶預(yù)置的計(jì)數(shù)器，這樣可以實(shí)現(xiàn)任意分頻系數(shù)為N-0.5的分頻器。圖1給出了通用半整數(shù)分頻器的電路組成。
采用VHDL硬件描述語言，可實(shí)現(xiàn)任意模N的計(jì)數(shù)器（其工作頻率可以達(dá)到160MHz以上），并可產(chǎn)生模N邏輯電路。之后，用原理圖輸入方式將模N邏輯電路、異或門和D觸發(fā)器連接起來，便可實(shí)現(xiàn)半整數(shù)（N-0.5）分頻器以及（2N-1）的分頻。

4 半整數(shù)分頻器設(shè)計(jì)

現(xiàn)通過設(shè)計(jì)一個(gè)分頻系數(shù)為2.5的分頻器給出用FPGA設(shè)計(jì)半整數(shù)分頻器的一般方法。該2.5分頻器由模3計(jì)數(shù)器、異或門和D觸發(fā)器組成。

圖3 2.5分頻器電路原理圖

4.1 模3計(jì)數(shù)器

該計(jì)數(shù)器可產(chǎn)生一個(gè)分頻系數(shù)為3的分頻器，并產(chǎn)生一個(gè)默認(rèn)的邏輯符號(hào)COUNTER3。其輸入端口為RESET、EN和CLK；輸出端口為QA和QB。下面給出模3計(jì)數(shù)器VHDL描述代碼：
library ieee;
use ieee.std-logic-1164.all;
use ieee.std-logic-unsigned.all;
entity counter3 is
port(clk,reset,en:in std-logic;
qa,qb:out std-logic);
end counter3;
architecture behavior of counter3 is
signal count:std-logic-vector(1 downto 0);
begin
process(reset,clk)
begin
if reset='1'then
count(1 downto 0)<="00";
else
if(clk 'event and clk='1')then
if(en='1')then
if(count="10")then
count<="00";
else
count<=count+1;
end if;
end if;
end if;
end if;
end process;
qa<=count(0);
qb<=count(1)；
end behavior；

任意模數(shù)的計(jì)數(shù)器與模3計(jì)數(shù)器的描述結(jié)構(gòu)完全相同，所不同的僅僅是計(jì)數(shù)器的狀態(tài)數(shù)。上面的程序經(jīng)編譯、時(shí)序模擬后，在MAX+PLUS II可得到如圖2所示的仿真波形。

4.2 完整的電路及波形仿真

將COUNTER3、異或門和D觸發(fā)器通過圖3所示的電路邏輯連接關(guān)系，并用原理圖輸入方式調(diào)入圖形編輯器，然后經(jīng)邏輯綜合即可得到如圖4所示的仿真波形。由圖中outclk與inclk的波形可以看出，outclk會(huì)在inclk每隔2.5個(gè)周期處產(chǎn)生一個(gè)上升沿，從而實(shí)現(xiàn)分頻系數(shù)為2.5的分頻器。設(shè)inclk為50MHz，則outclk為20MHz。因此可見，該電路不僅可得到分頻系數(shù)為2.5的分頻器（outclk），而且還可得到分頻系數(shù)為5的分頻器（Q1）。

5 結(jié)束語

選用ALTERA公司FLEX系列EPF10K10LC84-4型FPGA器件實(shí)現(xiàn)半整數(shù)分頻后，經(jīng)邏輯綜合后的適配分析結(jié)果如表1所列。本例中的計(jì)數(shù)器為2位寬的位矢量，即分頻系數(shù)為4以內(nèi)的半整數(shù)值。若分頻系數(shù)大于4，則需增大count的位寬。

表1 半整數(shù)分頻器適配分析結(jié)果