摘 要: 提出了一種基于FPGA的小數(shù)分頻實(shí)現(xiàn)方法。介紹了現(xiàn)有分頻方法的局限性,提出一種新的基于兩級計(jì)數(shù)器的分頻實(shí)現(xiàn)方法,給出該方法的設(shè)計(jì)原理以及實(shí)現(xiàn)框圖,利用軟件對電路進(jìn)行仿真,由仿真結(jié)果可以看出該方法可有效實(shí)現(xiàn)輸入信號頻率的小數(shù)調(diào)整,最后分析了方法的優(yōu)缺點(diǎn)及其應(yīng)用領(lǐng)域。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,設(shè)計(jì)方法能夠高精度地完成對信號頻率的微調(diào),并且頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間被縮短到2.56 μs。
關(guān)鍵詞: FPGA;小數(shù)分頻; 信號頻率的微調(diào)

分頻器是電子線路設(shè)計(jì)的重要功能單元,在通信、雷達(dá)、微波、儀器等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用。具體實(shí)現(xiàn)形式有偶數(shù)分頻、奇數(shù)分頻、鎖相環(huán)分頻電路等,這種結(jié)構(gòu)的分頻器只能實(shí)現(xiàn)整數(shù)分頻,或者是僅實(shí)現(xiàn)半整數(shù)分頻和奇數(shù)分頻[1],一般的鎖相環(huán)分頻電路會有幾十微秒級的頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間[2],雖然現(xiàn)在少數(shù)芯片有所改善,但是時(shí)間也較長。同時(shí),在某些場合下,所需要的頻率與給定的頻率并不成整數(shù)或半整數(shù)倍關(guān)系,或需要實(shí)現(xiàn)對輸入信號頻率的微調(diào)整,此時(shí)可采用小數(shù)分頻器進(jìn)行分頻[3]。
　本文提出了一種基于FPGA的小數(shù)分頻實(shí)現(xiàn)方法,給出該方法的設(shè)計(jì)原理以及實(shí)現(xiàn)框圖,使用VHDL硬件描述語言和原理圖混合輸入的設(shè)計(jì)方式[4],通過Quartus II開發(fā)軟件,在Altera公司的Stratix II系列EP2S15F484C3型FPGA器件平臺上對電路進(jìn)行仿真,并對仿真結(jié)果進(jìn)行分析,由仿真結(jié)果可以看出該方法可有效實(shí)現(xiàn)對輸入信號的50%占空比的小數(shù)調(diào)整,解決了在一些場合下整數(shù)分頻對輸入頻率調(diào)整幅度較大,頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間較長的問題[6]。
1 設(shè)計(jì)方案及其原理
　該方法是通過兩級計(jì)數(shù)電路來實(shí)現(xiàn)小數(shù)分頻的,第一級利用輸入信號對系統(tǒng)時(shí)鐘計(jì)數(shù),并對計(jì)數(shù)結(jié)果進(jìn)行修正；第二級利用修正后的結(jié)果通過定時(shí)操作產(chǎn)生頻率調(diào)整后的輸出信號。電路圖的組成如圖1所示。

　以輸入信號的脈寬作為閘值,計(jì)數(shù)器1在系統(tǒng)時(shí)鐘的控制下進(jìn)行加計(jì)數(shù),設(shè)此計(jì)數(shù)結(jié)果為n。為實(shí)現(xiàn)對輸入信號頻率的調(diào)整,通過給n加上一個(gè)調(diào)整值N來實(shí)現(xiàn)對計(jì)數(shù)結(jié)果的調(diào)整,調(diào)整后的結(jié)果存于寄存器3,同時(shí)計(jì)數(shù)器1復(fù)位并等待進(jìn)入下一輪操作。計(jì)數(shù)器2在同一系統(tǒng)時(shí)鐘控制下對寄存器3的值減計(jì)數(shù)。當(dāng)計(jì)數(shù)器2減到0時(shí)產(chǎn)生下溢信號,如此重復(fù),計(jì)數(shù)器2將產(chǎn)生頻率調(diào)整后的非對稱方波,最后利用模一計(jì)數(shù)器將其調(diào)整為占空比為50%的時(shí)鐘信號。上述方法中,N的值決定了輸出信號與輸入信號間的頻率關(guān)系,通過對N的設(shè)置來改變該方法的分頻倍數(shù)。
　在具體實(shí)現(xiàn)時(shí),為了避免計(jì)數(shù)器2置入的數(shù)據(jù)發(fā)生沖突,n的修正值先存放在寄存器3中,這樣,每當(dāng)計(jì)數(shù)器2減到0時(shí),再置入n的修正值,則可以避免第二級計(jì)數(shù)器沒有輸出信號的問題。

1.2 小數(shù)分頻參數(shù)的取值范圍
使用本設(shè)計(jì)方法對輸入信號的頻率進(jìn)行小數(shù)量級的分頻,要得到有效、可靠的結(jié)果,調(diào)整參數(shù)N只在一定范圍內(nèi)取值。
由式(1)可知:由于輸出信號頻率K>0,故N>-n。
2 仿真結(jié)果及分析
2.1 電路功能的仿真及分析
理論上,當(dāng)fin=1 MHz、N=1時(shí),n=100,K=1.01, fout≈0.990 1 MHz。
　以上述參數(shù)對電路進(jìn)行仿真,仿真結(jié)果如圖2所示。

N在有效范圍內(nèi)變化,使用上述參數(shù)對電路進(jìn)行仿真得到表1所示仿真結(jié)果。

對電路進(jìn)行調(diào)整,把N減小一個(gè)單位,即：N=1,由式(1)得分頻比K2=1.02,電路的仿真結(jié)果如圖4所示。

文中提出了兩級計(jì)數(shù)電路來實(shí)現(xiàn)小數(shù)分頻的方法,并對結(jié)果進(jìn)行仿真和分析,該方法可以實(shí)現(xiàn)分頻比為任意小數(shù)的小數(shù)分頻,或者可高精度地完成對輸入信號頻率的微調(diào),實(shí)現(xiàn)結(jié)果表明了本設(shè)計(jì)可以使頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間被縮短到2.56 μs,隨著分頻步長的提高,頻率調(diào)整誤差?著會增加,但是誤差比較小,這一優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用在IEEE1588中,可有效地實(shí)現(xiàn)LXI的主從設(shè)備的時(shí)鐘同步[5]，這是本設(shè)計(jì)方案的典型應(yīng)用。但是，當(dāng)系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率與輸入頻率的比值n不是整數(shù)時(shí),頻率調(diào)整誤差ε較大,這是本方案的使用局限性。
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