FPGA实现的任意小数分频器设计与优化

"基于FPGA的小数分频器设计" 在现代通信系统中，频率合成技术起着至关重要的作用，它涉及对高频基准频率进行加、减、乘、除运算，以生成具有相同稳定性和基准度的新频率。在这个过程中，分频器作为数字逻辑电路中的基础组件，扮演着不可或缺的角色。整数分频可以通过简单的计数器或状态机轻松实现，然而，当需要的频率与原始时钟源频率不成整数比例时，就需要小数分频器介入。 小数分频器可以分为两类：半整数分频器和非半整数分频器。当前，广泛应用的FPGA小数分频设计方法主要有两种：双模前置小数分频和改良后的设计方案，即用一个半整数分频器和一个整数分频器替代原来的两个整数分频器。这两种方法虽然在输出时钟的占空比误差和抖动性能上有差异，但它们的核心工作原理相同。双模前置小数分频理论上可实现任意小数分频，但在实际设计中，由于控制计数器设计受限于硬件资源（如FPGA的逻辑单元），往往难以达到理想精度。 FPGA实现的小数分频器还可能面临一个问题，即在两个整数分频时钟切换点可能出现时钟毛刺，这对时钟质量要求极高的系统来说是不可接受的。为了解决这个问题，可以引入脉冲删除技术，设计出既能实现任意小数分频又不会产生毛刺的方案。 在本文中，作者使用VHDL硬件描述语言，通过MAXPLUS II开发工具，配合Altera公司的FPGA芯片，设计并实现了支持不同占空比的任意小数分频器。小数分频的基本原理是根据给定的时钟源频率(f0)和期望输出频率(f1)，计算分频比(X)，公式为X=f0/f1。如果分频比位于两个连续整数之间(M<X<M+1)，则可以表示为X=M+α，其中α为小数部分，N1和N2为整数。通过选择不同的N1和N2值，可以从数学上实现任意小数分频。 为了工程实现，可以利用0<α<1的性质，构建多位累加器的模型，如公式1-3所示。举个例子，如果要将13MHz的时钟分频为8MHz，那么α=0.625，可以选取N1和N2使得分频比满足要求。当分频比为无限小数时，如上述情况，可以通过调整累加器的参数来精确控制输出频率。 本文深入探讨了基于FPGA的小数分频器设计，涵盖了理论基础、常见实现方法以及如何克服实际设计中的挑战。通过VHDL和FPGA，作者成功设计了一个能处理任意小数分频任务的无毛刺分频器，为实际应用提供了有价值的参考。