【從零開始走進(jìn)FPGA】教你什么才是真正的任意分頻

　　一、為啥要說任意分頻

　　也許FPGA中的第一個(gè)實(shí)驗(yàn)應(yīng)該是分頻實(shí)驗(yàn)，而不是流水燈，或者LCD1602的"Hello World"顯示，因?yàn)榉诸l的思想在FPGA中極為重要。當(dāng)初安排流水燈，只是為了能讓大家看到效果，來激發(fā)您的興趣(MCU的學(xué)習(xí)也是如此)。

　　在大部分的教科書中，都會(huì)提到如何分頻，包括奇數(shù)分頻，偶數(shù)分頻，小數(shù)分頻等。有些教科書中也會(huì)講到任意分頻(半分頻，任意分?jǐn)?shù)分頻)原理，用的是相位與的電路，并不能辦到50%的占空比，也不是很靈活。

　　但沒有一本教科書會(huì)講到精準(zhǔn)，淺顯易懂的高精度任意分頻原理(至少Bingo沒看到過)，同時(shí)也沒有一種設(shè)計(jì)能用同一個(gè)電路實(shí)現(xiàn)任意頻率的控制。Bingo對(duì)于當(dāng)年做的任意波形發(fā)生器時(shí)候的相位累加器原理，從中受到啟發(fā)，總結(jié)出高精度任意頻率合成的重要思維，在此貢獻(xiàn)給大家，希望對(duì)大家有用。

　　二、任意分頻原理以及性能

　　1. DDS相位累加器

　　(1)DDS合成流程

　　首先講訴DSS(直接頻率合成法)的原理。

　　DDS是重要的頻率合成方法，在波形發(fā)生器中有極其重要的應(yīng)用。DDS主要由以下幾部分組成：

　　a) 相位累加器

　　b) RAM數(shù)據(jù)讀取

　　c) D/A轉(zhuǎn)換器

　　d) 低通濾波器

　　見如下流程圖：直接頻率合成法的流程圖，有固定模塊，輸入頻率控制器，輸出固定頻率的波形。

　　此電路最主要模塊是相位累加器，通過相位累加器循環(huán)計(jì)數(shù)，循環(huán)讀取RAM的數(shù)據(jù)，從而得到固定頻率的波形數(shù)據(jù)。

　　(2)相位累加器原理

　　相位累加原理流程如上所示：

　　輸入頻率控制字，根據(jù)算法，來實(shí)現(xiàn)相位的變化，分析如下所示：

　　假定FPGA基準(zhǔn)頻率為50MHz，即基準(zhǔn)頻率：(MHz)

　　假定計(jì)數(shù)器為32位計(jì)數(shù)器，即;

　　K為頻率控制字，則相位輸出的頻率為： (1)

　　即(2)

　　根據(jù)相位累加原理，以及RAM緩存讀取數(shù)據(jù)，每一次的循環(huán)，RAM數(shù)據(jù)間隔K讀取一次。

　　當(dāng)K=1的時(shí)候，公式能輸出最小頻率，根據(jù)公式(1):

　　所以，最小波形頻率步進(jìn)為0.011655Hz。

　　當(dāng)fo=1Hz的時(shí)候，根據(jù)公式(2)

　　所以，每Hz的增減，K的步進(jìn)為85.90。

　　當(dāng)K=N/2的時(shí)候，公式能輸出最大頻率(因?yàn)槊總€(gè)CLK跳變一次)，此時(shí)，根據(jù)公式(1)，得到：

　　因此，根據(jù)頻率控制字K的變化，能輸出及固定頻率的波形。

　　2. 任意頻率分頻原理

　　在FPGA中某些應(yīng)用場(chǎng)合，對(duì)頻率要求比較高的情況下，用相位累加器原理來生成固定頻率的方法，未嘗不可。

　　我們規(guī)定，對(duì)Cnt進(jìn)行對(duì)半50%拆分，具體如下：

　　(1)當(dāng)的時(shí)候，，即低電平;

　　(2)當(dāng)的時(shí)候，fo=1，即高電平。

　　同上：

　　在FPGA中應(yīng)用，Verilog代碼如下所示：

　　/***************************************************

　　* Module Name : clk_generator

　　* Engineer : Crazy Bingo

　　* Target Device : EP2C8Q208C8

　　* Tool versions : Quartus II 9.1SP1

　　* Create Date : 2011-6-25

　　* Revision : v1.0

　　* Description :

　　**************************************************/

　　/*************************************************

　　fc = 50MHz 50*10^6

　　fo = fc*K/(2^32)

　　K = fo*(2^32)/fc

　　= fo*(2^32)/(50*10^6)

　　**************************************************/

　　module clk_generator

　　#

　　(

　　parameter FREQ_WORD = 32'd8590 //1KHz

　　)

　　(

　　input clk, //50MHz

　　input rst_n, //clock reset

　　output reg clk_out

　　);

　　//--------------------------------------

　　reg [31:0] max_value;

　　always@(posedge clk or negedge rst_n)

　　begin

　　if(!rst_n)

　　max_value <= 1'b0;

　　else

　　max_value <= max_value + FREQ_WORD;

　　end

　　//--------------------------------------

　　always@(posedge clk or negedge rst_n)

　　begin

　　if(!rst_n)

　　clk_out <= 1'b0;

　　else

　　begin

　　if(max_value < 32'h7FFF_FFFF)

　　clk_out <= 1'b0;

　　else

　　clk_out <= 1'b1;

　　end

　　end

　　endmodule

　　本代碼由Bingo從DDS相位累加器中，相應(yīng)移植總結(jié)出來的任意頻率分頻原理，本模塊應(yīng)用在多個(gè)對(duì)頻率精準(zhǔn)度要求比較高的工程中(如UART中，要得到115200Hz的bps，用這種任意分頻的原理來得到精準(zhǔn)的方法，一定程度上能夠提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確率)。

　　在DDS中的相位累加器的任意分頻原理，在一般工程中同樣可以應(yīng)用。在某些應(yīng)用場(chǎng)合，還是值得考慮的。本應(yīng)用純屬Bingo個(gè)人主觀應(yīng)用，如有異議，請(qǐng)聯(lián)系本人。