摘 要: 提出了一種基于FPGA的小數(shù)分頻實現(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數(shù)器的分頻實現(xiàn)方法,給出該方法的設計原理以及實現(xiàn)框圖,利用軟件對電路進行仿真,由仿真結果可以看出該方法可有效實現(xiàn)輸入信號頻率的小數(shù)調(diào)整,最后分析了方法的優(yōu)缺點及其應用領域。實驗結果表明,設計方法能夠高精度地完成對信號頻率的微調(diào),并且頻率轉換時間被縮短到2.56 μs。
關鍵詞: FPGA;小數(shù)分頻; 信號頻率的微調(diào)

分頻器是電子線路設計的重要功能單元,在通信、雷達、微波、儀器等領域有著重要應用。具體實現(xiàn)形式有偶數(shù)分頻、奇數(shù)分頻、鎖相環(huán)分頻電路等,這種結構的分頻器只能實現(xiàn)整數(shù)分頻,或者是僅實現(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換時間[2],雖然現(xiàn)在少數(shù)芯片有所改善,但是時間也較長。同時,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)倍關系,或需要實現(xiàn)對輸入信號頻率的微調(diào)整,此時可采用小數(shù)分頻器進行分頻[3]。
　本文提出了一種基于FPGA的小數(shù)分頻實現(xiàn)方法,給出該方法的設計原理以及實現(xiàn)框圖,使用VHDL硬件描述語言和原理圖混合輸入的設計方式[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行仿真,并對仿真結果進行分析,由仿真結果可以看出該方法可有效實現(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,頻率轉換時間較長的問題[6]。
1 設計方案及其原理
　該方法是通過兩級計數(shù)電路來實現(xiàn)小數(shù)分頻的,第一級利用輸入信號對系統(tǒng)時鐘計數(shù),并對計數(shù)結果進行修正；第二級利用修正后的結果通過定時操作產(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,計數(shù)器1在系統(tǒng)時鐘的控制下進行加計數(shù),設此計數(shù)結果為n。為實現(xiàn)對輸入信號頻率的調(diào)整,通過給n加上一個調(diào)整值N來實現(xiàn)對計數(shù)結果的調(diào)整,調(diào)整后的結果存于寄存器3,同時計數(shù)器1復位并等待進入下一輪操作。計數(shù)器2在同一系統(tǒng)時鐘控制下對寄存器3的值減計數(shù)。當計數(shù)器2減到0時產(chǎn)生下溢信號,如此重復,計數(shù)器2將產(chǎn)生頻率調(diào)整后的非對稱方波,最后利用模一計數(shù)器將其調(diào)整為占空比為50%的時鐘信號。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系,通過對N的設置來改變該方法的分頻倍數(shù)。
　在具體實現(xiàn)時,為了避免計數(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,每當計數(shù)器2減到0時,再置入n的修正值,則可以避免第二級計數(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
使用本設計方法對輸入信號的頻率進行小數(shù)量級的分頻,要得到有效、可靠的結果,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 仿真結果及分析
2.1 電路功能的仿真及分析
理論上,當fin=1 MHz、N=1時,n=100,K=1.01, fout≈0.990 1 MHz。
　以上述參數(shù)對電路進行仿真,仿真結果如圖2所示。

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

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

文中提出了兩級計數(shù)電路來實現(xiàn)小數(shù)分頻的方法,并對結果進行仿真和分析,該方法可以實現(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),實現(xiàn)結果表明了本設計可以使頻率轉換時間被縮短到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)點應用在IEEE1588中,可有效地實現(xiàn)LXI的主從設備的時鐘同步[5]，這是本設計方案的典型應用。但是，當系統(tǒng)的時鐘頻率與輸入頻率的比值n不是整數(shù)時,頻率調(diào)整誤差ε較大,這是本方案的使用局限性。
參考文獻
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