基于VHDL和FPGA的多種分頻實現(xiàn)方法介紹

分頻器是數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計中的基本電路，根據(jù)不同設(shè)計的需要，我們會遇到偶數(shù)分頻、奇數(shù)分頻、半整數(shù)分頻等，有時要求等占空比，有時要求非等占空比。在同一個設(shè)計中有時要求多種形式的分頻。通常由計數(shù)器或計數(shù)器的級聯(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，實現(xiàn)較為簡單。但對半整數(shù)分頻及等占空比的奇數(shù)分頻實現(xiàn)較為困難。本文利用VHDL硬件描述語言，通過QuartusⅡ3.0開發(fā)平臺，使用Altera公司的FPGA，設(shè)計了一種能夠滿足上述各種要求的較為通用的分頻器。

　　一、電路設(shè)計

　　采用FPGA實現(xiàn)半整數(shù)分頻器，可以采用以下方法：設(shè)計一個模N的計數(shù)器，再設(shè)計一個脈沖扣除電路，每來兩個脈沖扣除一個脈沖，即可實現(xiàn)分頻系數(shù)為N-0.5的分頻器。脈沖扣除電路由異或門和一個2分頻器構(gòu)成。本設(shè)計在半整數(shù)分頻器原理的基礎(chǔ)上，對異或門加一個使能控制信號，通過對異或門和計數(shù)器計數(shù)狀態(tài)值的控制，實現(xiàn)同一個電路完成多種形式分頻，如圖1所示。

　　二、VHDL語言的實現(xiàn)

　　現(xiàn)通過設(shè)計一個可以實現(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、模N計數(shù)器和一個2分頻器組成，本設(shè)計用D觸發(fā)器來完成2分頻的功能，實現(xiàn)方法是：將觸發(fā)器的Q反輸出端反饋回輸入端D，將計數(shù)器的一個計數(shù)輸出端作為D觸發(fā)器的時鐘輸入端。各功能模塊的VHDL語言實現(xiàn)如下。

　　1.模N計數(shù)器的實現(xiàn)

　　一般設(shè)計中用到計數(shù)器時，我們可以調(diào)用lpm庫中的計數(shù)器模塊，也可以采用VHDL語言自己設(shè)計一個模N計數(shù)器。本設(shè)計采用VHDL語言設(shè)計一個最大模值為16的計數(shù)器。輸入端口為：使能信號en，復(fù)位信號clr和時鐘信號clk;輸出端口為：qa、qb、qc、qd。其VHDL語言描述略。

　　2.帶使能控制的異或門的實現(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xor_en為高電平時，c輸出a和b的異或值。當xor_en為低電平時，c輸出信號b。其VHDL語言略。

　　3.2分頻(觸發(fā)器)的實現(xiàn)

　　輸入端為：時鐘信號clk，輸入信號d;輸出端為：q：輸出信號a，q1：輸出信號a反。其VHDL語言略。

　　4.分頻器的實現(xiàn)

　　本設(shè)計采用層次化的設(shè)計方法，首先設(shè)計實現(xiàn)分頻器電路中各組成電路元件，然后通過元件例化的方法，調(diào)用各元件，實現(xiàn)整個分頻器。其VHDL語言略。

　　三、仿真結(jié)果及硬件電路的測試

　　本設(shè)計的目的是通用性和簡易性，只要對上述程序稍加改動即可實現(xiàn)多種形式的分頻。

　　1.實現(xiàn)8.5分頻和等占空比的17分頻

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

　　圖二

　　圖三