摘 要： 本文通過(guò)在QuartursⅡ開(kāi)發(fā)平臺(tái)下，一種能夠?qū)崿F(xiàn)等占空比、非等占空比整數(shù)分頻及半整數(shù)分頻的通用分頻器的FPGA設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，介紹了利用VHDL硬件描述語(yǔ)言輸入方式，設(shè)計(jì)數(shù)字電路的過(guò)程。

關(guān)鍵詞：FPGA；VHDL硬件描述語(yǔ)言；數(shù)字電路設(shè)計(jì)；分頻器

引言

分頻器是數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的基本電路，根據(jù)不同設(shè)計(jì)的需要，我們會(huì)遇到偶數(shù)分頻、奇數(shù)分頻、半整數(shù)分頻等，有時(shí)要求等占空比，有時(shí)要求非等占空比。在同一個(gè)設(shè)計(jì)中有時(shí)要求多種形式的分頻。通常由計(jì)數(shù)器或計(jì)數(shù)器的級(jí)聯(lián)構(gòu)成各種形式的偶數(shù)分頻及非等占空比的奇數(shù)分頻，實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單。但對(duì)半整數(shù)分頻及等占空比的奇數(shù)分頻實(shí)現(xiàn)較為困難。本文利用VHDL硬件描述語(yǔ)言，通過(guò)QuartusⅡ3.0開(kāi)發(fā)平臺(tái)，使用Altera公司的FPGA，設(shè)計(jì)了一種能夠滿(mǎn)足上述各種要求的較為通用的分頻器。

一、電路設(shè)計(jì)

采用FPGA實(shí)現(xiàn)半整數(shù)分頻器，可以采用以下方法：設(shè)計(jì)一個(gè)模N的計(jì)數(shù)器，再設(shè)計(jì)一個(gè)脈沖扣除電路，每來(lái)兩個(gè)脈沖扣除一個(gè)脈沖，即可實(shí)現(xiàn)分頻系數(shù)為N-0.5的分頻器。脈沖扣除電路由異或門(mén)和一個(gè)2分頻器構(gòu)成。本設(shè)計(jì)在半整數(shù)分頻器原理的基礎(chǔ)上，對(duì)異或門(mén)加一個(gè)使能控制信號(hào)，通過(guò)對(duì)異或門(mén)和計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)狀態(tài)值的控制，實(shí)現(xiàn)同一個(gè)電路完成多種形式分頻，如圖1所示。

二、VHDL語(yǔ)言的實(shí)現(xiàn)

現(xiàn)通過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè)可以實(shí)現(xiàn)8.5分頻，等占空比的17分頻，2、4、8、16、32分頻，及占空比為1∶8和4∶5的9分頻等多種形式分頻的分頻器，介紹該通用分頻器的FPGA實(shí)現(xiàn)。
由圖1所示的電路原理圖可知，分頻器由帶使能端的異或門(mén)、模N計(jì)數(shù)器和一個(gè)2分頻器組成，本設(shè)計(jì)用D觸發(fā)器來(lái)完成2分頻的功能，實(shí)現(xiàn)方法是：將觸發(fā)器的Q反輸出端反饋回輸入端D，將計(jì)數(shù)器的一個(gè)計(jì)數(shù)輸出端作為D觸發(fā)器的時(shí)鐘輸入端。各功能模塊的VHDL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)如下。

1．模N計(jì)數(shù)器的實(shí)現(xiàn)

一般設(shè)計(jì)中用到計(jì)數(shù)器時(shí)，我們可以調(diào)用lpm庫(kù)中的計(jì)數(shù)器模塊，也可以采用VHDL語(yǔ)言自己設(shè)計(jì)一個(gè)模N計(jì)數(shù)器。本設(shè)計(jì)采用VHDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)一個(gè)最大模值為16的計(jì)數(shù)器。輸入端口為：使能信號(hào)en，復(fù)位信號(hào)clr和時(shí)鐘信號(hào)clk；輸出端口為：qa、qb、qc、qd。其VHDL語(yǔ)言描述略。

2．帶使能控制的異或門(mén)的實(shí)現(xiàn)
輸入端為：xor_en：異或使能，a和b：異或輸入；輸出端為：c：異或輸出。當(dāng)xor_en為高電平時(shí)，c輸出a和b的異或值。當(dāng)xor_en為低電平時(shí)，c輸出信號(hào)b。其VHDL語(yǔ)言略。

3．2分頻（觸發(fā)器）的實(shí)現(xiàn)
輸入端為：時(shí)鐘信號(hào)clk，輸入信號(hào)d；輸出端為：q：輸出信號(hào)a，q1：輸出信號(hào)a反。其VHDL語(yǔ)言略。

4．分頻器的實(shí)現(xiàn)

本設(shè)計(jì)采用層次化的設(shè)計(jì)方法，首先設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)分頻器電路中各組成電路元件，然后通過(guò)元件例化的方法，調(diào)用各元件，實(shí)現(xiàn)整個(gè)分頻器。其VHDL語(yǔ)言略。

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三、仿真結(jié)果及硬件電路的測(cè)試

本設(shè)計(jì)的目的是通用性和簡(jiǎn)易性，只要對(duì)上述程序稍加改動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)多種形式的分頻。

1．實(shí)現(xiàn)8.5分頻和等占空比的17分頻

只要將上述程序中，調(diào)用計(jì)數(shù)器模塊時(shí)端口qa、qb、qc匹配為open狀態(tài)，同時(shí)置xor_en為高電平即可。從編譯報(bào)告看出總共占用8個(gè)邏輯單元（logic elements），其仿真波形如圖2～4所示。

圖2 圖3 圖4

由圖中qxiao和clk的波形可以看出，每隔8.5個(gè)時(shí)鐘周期，qxiao信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)上升沿，從而實(shí)現(xiàn)分頻系數(shù)是8.5的分頻，同時(shí)在qzheng端得到等占空比的17分頻。設(shè)clk為170MHz，則qxiao輸出為20MHz，qzheng輸出為10MHz。

2．實(shí)現(xiàn)占空比為1∶8和4∶5的9分頻

只要上述程序的xor_en置低電平即可在qxiao輸出占空比為1∶8的9分頻信號(hào)；在qzheng2輸出占空比為4∶5的9分頻信號(hào)。同樣僅占8個(gè)邏輯單元（logic elements）。仿真波形如下。
3．實(shí)現(xiàn)等占空比的2、4、8、16和32分頻
只要將上述程序中的xor_en置為低電平，同時(shí)將計(jì)數(shù)器模塊的計(jì)數(shù)最大值設(shè)為16即可。仿真波形如下。
由此可見(jiàn)，只要稍微改變計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)狀態(tài)值，對(duì)異或門(mén)進(jìn)行選通控制，即可實(shí)現(xiàn)上述多種形式的分頻。本設(shè)計(jì)在Altera公司的EP1K50QC208-3構(gòu)成的測(cè)試平臺(tái)上測(cè)試通過(guò)，性能良好。

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結(jié)束語(yǔ)

我們?cè)谠O(shè)計(jì)模擬雷達(dá)脈沖信號(hào)和用FPGA開(kāi)發(fā)擴(kuò)頻芯片時(shí)就用到了上述多種形式得分頻。本文旨在介紹一種進(jìn)行FPGA開(kāi)發(fā)時(shí)，所需多種分頻的實(shí)現(xiàn)方法，如果設(shè)計(jì)中所需分頻形式較多，可以直接利用本設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)程序的稍微改動(dòng)以滿(mǎn)足自己設(shè)計(jì)的要求。如果設(shè)計(jì)中需要分頻形式較少，可以利用本設(shè)計(jì)部分程序，以節(jié)省資源。

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參考文獻(xiàn)

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2 侯伯亨，顧新編.VHDL硬件描述語(yǔ)言及數(shù)字邏輯電路設(shè)計(jì)，西安電子科技大學(xué)出版社
3 ALTERA公司，Introduction to QuartusⅡ