基于FPGA的多种形式分频的设计与实现 - sopc的资料.pdf

基于FPGA 的多种形式分频的设计与实现 摘 要 本文通过在Quarturs Ⅱ开发平台下，一种能够实现等占空比、非等占 空比整数分频及半整数分频的通用分频器的FPGA 设计与实现，介绍了利用VHDL 硬件描述语言输入方式，设计数字电路的过程。 关键词 FPGA；VHDL 硬件描述语言；数字电路设计；分频器 引言 分频器是数字系统设计中的基本电路，根据不同设计的需要，我们会遇到偶数分 频、奇数分频、半整数分频等，有时要求等占空比，有时要求非等占空比。在同 一个 设计中有时要求多种形式的分频。通常由计数器或计数器的级联构成各种 形式的偶数分频及非等占空比的奇数分频，实现较为简单。但对半整数分频及等 占空比的奇 数分频实现较为困 。本文利用VHDL 硬件描述语言，通过 Quartus Ⅱ3.0 开发平台，使用Altera 公司的FPGA，设计了一种能够满足上述各 种 要求的较为通用的分频器。 一、电路设计 采用FPGA 实现半整数分频器，可以采用以下方法：设计一个模N 的计数器，再 设计一个脉冲扣除电路，每来两个脉冲扣除一个脉冲，即可实现分频系数为N- 0.5 的分频器。脉冲扣除电路由异或门和一个2 分频器构成。本设计在半整数分 频器原理的基础上，对异或门加一个使能控制信号，通过对异或门和计数器计数 状 态值的控制，实现同一个电路完成多种形式分频，如图1 所示。 二、VHDL 语言的实现 现通过设计一个可以实现8.5 分频，等占空比的17 分频，2、4、8、16、32 分 频，及占空比为1 ∶8 和4 ∶5 的9 分频等多种形式分频的分频器，介绍该通用分 频器的FPGA 实现。 由图1 所示的电路原理图可知，分频器由带使能端的异或门、模N 计数器和一个 2 分频器组成，本设计用D 触发器来完成2 分频的功能，实现方法是 将触发器 的Q 反输出端反馈回输入端D，将计数器的一个计数输出端作为D 触发器的时钟 输入端。各功能模块的VHDL 语言实现如下。 1．模N 计数器的实现 一般设计中用到计数器时，我们可以调用lpm 库中的计数器模块，也可以采用 VHDL 语言自己设计一个模N 计数器。本设计采用VHDL 语言设计一个最大模值 为 16 的计数器。输入端口为 使能信号en，复位信号clr 和时钟信号clk；输出 端口为 qa、qb、qc、qd。其VHDL 语言描述略。 2．带使能控制的异或门的实现 输入端为 xor_en 异或使能，a 和b 异或输入；输出端为 c 异或输出。当 xor_en 为高电平时，c 输出a 和b 的异或值。当xor_en 为低电平时，c 输出信 号b。其VHDL 语言略。 3．2 分频 （触发器）的实现 输入端为：时钟信号clk，输入信号d；输出端为 q：输出信号a，q1：输出信 号a 反。其VHDL 语言略。 4．分频器的实现 本设计采用层次化的设计方法，首先设计实现分频器电路中各组成电路元件，然 后通过元件例化的方法，调用各元件，实现整个分频器。其VHDL 语言略。 三、仿真结果及硬件电路的测试 本设计的目的是通用性和简易性，只要对上述程序稍加改动即可实现多种形式的 分频。 1．实现8.5 分频和等占空比的17 分频 只要将上述程序中，调用计数器模块时端口qa、qb、qc 匹配为open 状态，同时 置xor_en 为高电平即可。从编译报告看出总共占用8 个逻辑单元（logic elements），其仿真波形如图2～4 所示。 图2 图3 图4 由图中qxiao 和clk 的波形可以看出，每隔8.5 个时钟周期，qxiao 信号产生一 个上升沿，从而实现分频系数是8.5 的分频，同时在qzheng 端 得到等占空比的 17 分频。设clk 为170MHz，则qxiao 输出为20MHz，qzheng 输出为10MHz。 2．实现占空比为1 ∶8 和4 ∶5 的9 分频 只要上述程序的xor_en置低电平即可在qxiao输出占空比为1 ∶8 的9 分频信号； 在qzheng2 输出占空比为4 ∶5 的9 分频信号。同样仅占8 个逻辑单元（logic elements）。仿真波形如下。 3．实现等占空比的2、4、8、16 和32 分频 只要将上述程序中的xor_en 置为低电平，同时将计数器模块的计数最大值设为 16 即可。仿真波形如下。 由此可见，只要稍微改变计数器的计数状态值，对异或门进行选通控制，即可实 现上述多种形式的分频。本设计在Altera 公司的EP1K50QC208-3 构成的测试平 台上测试通过，性能良好。 结束语 我们在设计模拟雷达脉冲信号和用FPGA