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本帖最后由 weihu_lu 于 2014-6-19 16:25 編輯 作者：盧威虎 1、前言 分頻器是FPGA設(shè)計(jì)中使用頻率非常高的基本單元之一。盡管目前在大部分設(shè)計(jì)中還廣泛使用集成鎖相環(huán)（如Altera的PLL，Xilinx的DLL）來進(jìn)行時(shí)鐘的分頻、倍頻以及相移設(shè)計(jì)，但是，對于時(shí)鐘要求不太嚴(yán)格的設(shè)計(jì)，通過自主設(shè)計(jì)進(jìn)行時(shí)鐘分頻的實(shí)現(xiàn)方法仍然非常流行。首先這種方法可以節(jié)省鎖相環(huán)資源，再者這種方式只消耗不多的邏輯單元就可以達(dá)到對時(shí)鐘的操作目的。 2、整數(shù)倍分頻器的設(shè)計(jì) 2.1 偶數(shù)倍分頻 偶數(shù)倍分頻器的實(shí)現(xiàn)非常簡單，只需要一個(gè)計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)就能實(shí)現(xiàn)。如需要N分頻器（N為偶數(shù)），就可以由待分頻的時(shí)鐘觸發(fā)計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器從0計(jì)數(shù)到N/2-1時(shí)，將輸出時(shí)鐘進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，并給計(jì)數(shù)器一個(gè)復(fù)位信號，以使下一個(gè)時(shí)鐘開始從零計(jì)數(shù)。以此循環(huán)，就可以實(shí)現(xiàn)偶數(shù)倍分頻。以10分頻為例，相應(yīng)的verilog代碼如下： regclk_div10; reg [2:0]cnt; always@(posedge clk or posedge rst) begin if(rst)begin //復(fù)位 cnt<> clk_div10<> end elseif(cnt==4) begin cnt<=0; > clk_div10<=~clk_div10; > end else cnt<> end 2.2 奇數(shù)倍分頻 奇數(shù)倍分頻因占空比不同，主要有以下兩種方法。對于非50%占空比的分頻，與偶數(shù)倍分頻類似，只需要一個(gè)計(jì)數(shù)器就能實(shí)現(xiàn)特定占空比的時(shí)鐘分頻。如需要1/11占空比的十一分頻時(shí)鐘，可以在計(jì)數(shù)值為9和10時(shí)均進(jìn)行時(shí)鐘翻轉(zhuǎn)，該方法也是產(chǎn)生抽樣脈沖的有效方法。相應(yīng)的verilog代碼如下： always @(posedge clk or posedge rst) begin if(rst)begin //復(fù)位 cnt<> clk_div11<> end elseif(cnt==9) begin clk_div11<=~clk_div11; > cnt<=cnt+1; =""> end elseif(cnt==10) begin clk_div11<=~clk_div11; > cnt<=0; =""> end else cnt<> end 對于50%奇數(shù)分頻器的設(shè)計(jì)，用到的思維是錯(cuò)位半個(gè)時(shí)鐘并相或運(yùn)算。具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：分別利用待分頻時(shí)鐘的上升沿與下降沿進(jìn)行((N-1)/2)/N分頻，最后將這兩個(gè)時(shí)鐘進(jìn)行或運(yùn)算即可。以三分頻為例，相應(yīng)的電路原理圖和時(shí)序仿真圖如圖1和圖2所示，相應(yīng)代碼如下： reg clk1; reg[1:0]cnt1; always@(posedge clk or posedge rst) begin if(rst)begin //復(fù)位 cnt1<> clk1<> end elseif(cnt1==1) begin clk1<=~clk1; > cnt1<=cnt1+1; =""> end elseif(cnt1==2) begin clk1<=~clk1; > cnt1<=0; =""> end else cnt1<> end reg clk2; reg[1:0]cnt2; always@(negedge clk or posedge rst) begin if(rst)begin //復(fù)位 cnt2<> clk2<> end elseif(cnt2==1) begin clk2<=~clk2; > cnt2<=cnt2+1; =""> end elseif(cnt2==2) begin clk2<=~clk2; > cnt2<=0; =""> end else cnt2<> end assignclk_div3=clk1 | clk2; //或運(yùn)算  圖1 50%占空比的三分頻電路原理圖  圖2 50%占空比的三分頻時(shí)序仿真圖 3、小數(shù)倍分頻器的設(shè)計(jì) 3.1 半整數(shù)分頻器 半整數(shù)N+0.5分頻器設(shè)計(jì)思路：首先進(jìn)行模N+1的計(jì)數(shù)，在計(jì)數(shù)到N時(shí)，將輸出時(shí)鐘賦值為1，而當(dāng)回到計(jì)數(shù)0時(shí)，又賦值為0，這樣，當(dāng)計(jì)數(shù)值為N時(shí)，輸出時(shí)鐘才為1。因此，只要保持計(jì)數(shù)值N為半個(gè)時(shí)鐘周期即是該設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。從中可以發(fā)現(xiàn)。因?yàn)橛?jì)數(shù)器是通過時(shí)鐘上升沿計(jì)數(shù)，故可在計(jì)數(shù)為N時(shí)對計(jì)數(shù)觸發(fā)時(shí)鐘進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，那么，時(shí)鐘的下降沿就變成了上升沿。即在計(jì)數(shù)值為N期間的時(shí)鐘下降沿變成了上升沿。也就是說，計(jì)數(shù)值N只保持了半個(gè)時(shí)鐘周期。由于時(shí)鐘翻轉(zhuǎn)下降沿變成上升沿，因此，計(jì)數(shù)值變?yōu)?。所以，每產(chǎn)生一個(gè)N+0.5分頻時(shí)鐘的周期，觸發(fā)時(shí)鐘都要翻轉(zhuǎn)一次。圖3給出了通用半整數(shù)分頻器的電路原理圖。以2.5倍分頻為例，相應(yīng)的電路verilog代碼如下，時(shí)序仿真圖如圖4所示。 //異或運(yùn)算 assignclk_in=clk^clk_div2; //模3計(jì)數(shù)器 reg clk_out; reg [1:0]cnt; always@(posedge clk_in or posedge rst) begin if(rst)begin //復(fù)位 cnt<> clk_out<> end elseif(cnt==1) begin clk_out<=~clk_out; > cnt<=cnt+1; =""> end elseif(cnt==2) begin clk_out<=~clk_out; > cnt<=0; =""> end else cnt<> end //2分頻 reg clk_div2; always@(posedge clk_out or posedge rst) begin if(rst) clk_div2<=0; > else clk_div2=~clk_div2; end  圖3 通用半整數(shù)分頻器的電路原理圖  圖4 2.5倍分頻器時(shí)序仿真圖 3.2 任意小數(shù)分頻器 小數(shù)分頻器的實(shí)現(xiàn)方法有很多中，但其基本原理都一樣的，即在若干個(gè)分頻周期中采取某種方法使某幾個(gè)周期多計(jì)或少計(jì)一個(gè)數(shù)，從而在整個(gè)計(jì)數(shù)周期的總體平均意義上獲得一個(gè)小數(shù)分頻比。一般而言，這種分頻由于分頻輸出的時(shí)鐘脈沖抖動(dòng)很大，故在設(shè)計(jì)中的使用已經(jīng)非常少。但是，這也是可以實(shí)現(xiàn)的。以8.7倍分頻為例，本文僅僅給出雙模前置小數(shù)分頻原理的verilog代碼及其仿真圖（如圖6），具體原理可以參考劉亞海的《基于FPGA的小數(shù)分頻器的實(shí)現(xiàn)》以及毛為勇的《基于FPGA的任意小數(shù)分頻器的設(shè)計(jì)》。  圖5 小數(shù)分頻器的電路原理圖 //8分頻 reg clk_div8; reg[2:0]cnt_div8; always@(posedge clk or posedge rst) begin if(rst)begin //復(fù)位 clk_div8<> cnt_div8<> end elseif(cnt_div8==3'd7) begin clk_div8<=1; > cnt_div8<> end elseif(cnt_div8==3'd0) begin clk_div8<=0; > cnt_div8<> end else cnt_div8<> end //9分頻 reg clk_div9; reg[3:0]cnt_div9; always@(posedge clk or posedge rst) begin if(rst)begin //復(fù)位 clk_div9<> cnt_div9<> end elseif(cnt_div9==3'd8) begin clk_div9<=1; > cnt_div9<> end elseif(cnt_div9==3'd0) begin clk_div9<=0; > cnt_div9<> end else cnt_div9<> end //控制信號 parameterDiv8Num=3; reg ctrl; reg[3:0]AddValue; always@(posedge clk or posedge rst) begin if(rst)begin //復(fù)位 ctrl<> AddValue<> end elseif(AddValue<10)> ctrl<> AddValue<> end else begin ctrl<> AddValue<> end end //選擇輸出 reg clk_out; always @(ctrlor posedge clk or posedge rst) begin if(rst) clk_out<=0; > elseif(ctrl) clk_out<> elseclk_out<> end  圖6 8.7分頻器的時(shí)序仿真圖 4、總結(jié)分頻器是FPGA的基礎(chǔ)，而且在FPGA邏輯電路設(shè)計(jì)的時(shí)候是經(jīng)常使用的，希望大家對以上的整數(shù)倍分頻和半整數(shù)倍分頻能熟練掌握 。 如有不對，請指正！ 轉(zhuǎn)載請注明出處，以及作者，謝謝?。?/font> |
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