基于CPLD/FPGA的多功能分频器的设计与实现

 引言

    分频器在CPLD/FPGA设计中使用频率比较高,尽管目前大部分设计中采用芯片厂家集成的锁相环资源 ,但是对于要求奇数倍分频（如3、5等）、小数倍（如2.5、3.5等）分频、占空比50%的应用场合却往往不能满足要求。硬件工程师希望有一种灵活的设计方法,根据需要,在实验室就能设计分频器并马上投入使用,更改频率时无需改动原器件或电路板,只需重新编程,在数分钟内即可完成。为此本文基于 CPLD/FPGA用原理图和VHDL语言混合设计实现了一多功能通用分频器。

    分频原理

    偶数倍（2N）分频

    使用一模N计数器模块即可实现,即每当模N计数器上升沿从0开始计数至N时,输出时钟进行翻转,同时给计数器一复位信号使之从0开始重新计数,以此循环即可。偶数倍分频原理示意图见图1。

    奇数倍（2N+1）分频

    （1）占空比为X/(2N+1)或（2N＋1-X）/（2N+1）分频,用模（2N＋1）计数器模块可以实现。取0至2N之间一数值X(0< X<2N),当计数器时钟上升沿从0开始计数到X值时输出时钟翻转一次,在计数器继续计数达到2N＋1时,输出时钟再次翻转并对计数器置一复位信号,使之从0开始重新计数,即可实现。

    （2）占空比为50％的分频,设计思想如下：基于（1）中占空比为非50％的输出时钟在输入时钟的上升沿触发翻转;若在同一个输入时钟周期内,此计数器的两次输出时钟翻转分别在与（1）中对应的下降沿触发翻转,输出的时钟与（1）中输出的时钟进行逻辑或,即可得到占空比为50％的奇数倍分频时钟。当然其输出端再与偶数倍分频器串接则可以实现偶数倍分频。奇数倍分频原理示意图见图2。    

    N-0.5倍分频

    采用模N计数器可以实现。具体如下：计数器从0开始上升沿计数,计数达到N-1上升沿时,输出时钟需翻转,由于分频值为N-0.5,所以在时钟翻转后经历 0.5个周期时,计数器输出时钟必须进行再次翻转,即当CLK为下降沿时计数器的输入端应为上升沿脉冲,使计数器计数达到N而复位为0重新开始计数同时输出时钟翻转。这个过程所要做的就是对CLK进行适当的变换,使之送给计数器的触发时钟每经历N-0.5个周期就翻转一次。N-0.5倍：取N=3,分频原理示意图见图3。

    对于任意的N＋A/B倍分频（N、A、B∈Z,A≦B）

    分别设计一个分频值为N和分频值N＋1的整数分频器,采用脉冲计数来控制单位时间内两个分频器出现的次数,从而获得所需要的小数分频值。可以采取如下方法来计算个子出现的频率：

    设N出现的频率为a,则N×a＋（N+1）×（B-a）＝N×B＋A 求解a＝B-A; 所以N＋1出现的频率为A.例如实现7＋2/5分频,取a为3,即7×3＋8×2就可以实现。但是由于这种小数分频输出的时钟脉冲抖动很大,现实中很少使用,本次设计未予以设计。

    采用VHDL语言可以实现计数器的下降沿触发翻转,并且CPLD/FPGA具有可并行执行的特性,可以保证两种不同的触发翻转以及分频时钟输出保持同步,所以上述分频方法可以基于CPLD/FPGA予以实现。

    综合上述分析,实现多功能分频器功能的设计框图如图4所示。

    多功能分频器的设计与实现

    本设计使用第三方EDA开发工具Protel DXP。该开发工具支持层次原理图及VHDL语言混合设计并能进行编译、时序和功能仿真,支持Xilinx、Altera、Lattice等公司的系列 CPLD/FPGA器件,并且具有设计直观、层次性好等优点。在设计中采用两级原理图和底层VHDL语言三级结构来实现,使整个的设计以功能模块化,便于程序修改、功能升级和分频系数的设定。对于分频值的设定采取了软件设定的方法,即只需在VHDL语言程序中按照自己的需求对相应的参数作修改、设定,而且设定值的取值灵活。顶层原理图、次级原理图分别如图5、6。

    本次设计CK延时3ns后设值为111,即功能模块全部选中工作;偶数倍分频模块中模N计数器N设置为2,实现四分频;奇数倍分频模块中模2N+1计数器 N设置为1实现三分频,占空比X设置为1即分频系数为1/3,模M计数器M值设置为2实现2M*(2N+1)=12分频;N-0.5倍分频模块中N设置为 3,实现2.5分频。从方针波形中可以看出,实现了通用多功能分频器。若要得到其他值,只需修改相应功能模块的VHDL语言中的相关的参数,再进行编译、综合适配、下载即可。

    器件适配及仿真波形

    本 设计采用Xilinx XC9536-5-PC44 CPLD器件实现,经综合适配后其报表如表1。

       仿真波形如图7。

    结束语

    本文介绍了基于CPLD/FPGA的多功能分频器的设计方法,给出了原理图并用VHDL语言予以实现。结合ISP技术,基于CPLD/FPGA的分频器可以变得像软件那样灵活且易于修改、升级,能够在同一个器件内实现多种分频功能,使之成为一种多功能硬件。在产品设计、制造过程中、甚至在交付用户使用之后,仍可根据要求对器件进行逻辑重构和功能修改。在数字系统设计中,为用户提供了一种低成本的解决方案,减少了工作量和成本。