一種可控分頻器設計的新方法

摘要：本文提出了一種新的可控分頻器設計方法--脈沖剔除法，采用該方法可以實現占空比50％的整數分頻和近50％占空比的半整數分頻，分頻系數由控制端給定。文中給出了N=3時的分頻電路設計，并對電路進行了仿真和測試，結果符合設計要求。

關鍵詞：分頻器；占空比；脈沖剔除

引言。隨著數字電子系統設計的不斷發展，系統的規模越來越大，系統內的時鐘也變得越來越復雜，這就對時鐘脈沖提出了更高的要求。通常系統內部的各種時鐘信號是通過內部分頻器獲得的。分頻器按分頻系數可分為2n冪整數分頻、任意整數分頻和小數分頻。系統內部的時鐘信號一般可由整數分頻實現[1]，鎖相環等電路需要小數分頻[2]，半整數分頻（特殊的小數分頻，3.5，4.5，5.5……）在雷達脈沖信號中有廣泛應用[3]。

N分頻器通常是利用N計數器來實現的，也可以采用周期插入的方法[1]，為了獲得50%的占空比，奇數分頻時需預先對時鐘脈沖進行倍頻[4]，也可以采用雙邊沿觸發器構成的雙邊沿計數器實現[5]。

本文給出了一種新的對半周期進行計數方法，它以N計數器為核心，配合時鐘反相電路，可配置成分頻系數為2N、2N-1，且占空比為50%的分頻器，也可配置實現占空比為 （K為分頻系數）的半整數分頻器。

1 設計原理

對于2N分頻，可以方便的用模N的計數器與一個 觸發器（二分頻器）來簡單實現50%占空比的分頻輸出。而對于2N-1的奇數分頻，為了獲得50%占空比的輸出信號，可以采用觸發前移半個周期的方式來剔除半個脈沖周期，我們稱這種方法為脈沖剔除法。

在計數器計到第N個脈沖時，只計數半個脈沖寬度，即把觸發時刻前移半個周期，這樣就可以得到半周期為N-0.5時鐘的分頻信號了，圖1給出了五分頻(N=3)的波形示意圖。

計數器觸發邊沿前移可以通過時鐘信號反相來實現，時鐘信號CP與反相控制信號Q的異或：

，當Q=1時，，即時鐘反相。

對于奇數分頻，當N計數器進位時，需對時鐘CP進行反相，所以反相控制信號Q可以由以下狀態方程式給出：（1）

若要實現半整數分頻，可以在上述2N-1分頻的基礎上把2N-1輸出信號的2個邊沿均向前移動半個周期，如圖2所示。這樣輸出信號的周期變為：

即２N-1-0.5分頻，實現占空比為

若要實現2N-0.5的分頻，可在2N分頻的基礎將輸出脈沖的2個邊沿前移半個CP時鐘周期，即可實現。

綜合前述，利用脈沖周期剔除法可實現分頻系數K=2N-Odd-Half×0.5(N = 2、3、4…，Odd = 0、1，Half = 0、1)的50%占空比整數分頻或 占空比的半整數分頻。

2 電路實現

從脈沖周期剔除法原理可知，整數分頻電路（q=50%）由一個模N計數器、 觸發器、時鐘反相控制電路及一個用于反相的異或門等構成。電路的原理框圖如圖3所示。

圖3中，反相控制電路的邏輯關系由式（1）給出，模N計數器采用模可變計數器通過外部控制來實現，或采用可配置計數器通過配置字來實現。該分頻器可以方便地用VHDL等硬件描述語言來描述，并綜合下載到FPGA/CPLD上來實現。

考慮到半整數分頻的情況，我們可以在上述整數分頻基礎上，適當改變時鐘反相控制電路，增加半整數分頻控制端（Half），使電路實現任意整數、半整數分頻，分頻系數為：2N-Odd-Half×0.5，利用異步電路實現的反相控制電路邏輯圖見圖4。

3 分頻器的仿真與測試結果

根據圖3的電路結構和圖4的控制電路，用VHDL編制了最大分頻系數為6（計數器模N=3）的分頻電路。以Flex10K10為目標芯片，利用MaxPlusⅡ進行了綜合和仿真，5.5分頻時的仿真結果見圖5，時序分析結果表明電路可工作在30MHz的頻率下。

把整個分頻電路配置到Flex10K10芯片中，在12MHz輸入信號下，進行整數和半整數分頻測試，分頻輸出波形如圖6所示。圖6中給出了分頻系數為6，5.5，5，4.5的分頻結果，它與設計要求是相吻合的。仿真和實測結果表明分頻器的設計方法是正確的。

結論

本文討論了一種可以實現整數和半整數分頻電路的設計方法，即脈沖剔除法，采用脈沖剔除的方法可以實現占空比為50%的整數分頻和最接近50%占空比的半整數分頻。給出了N＝3的分頻電路設計，并以Flex10K10為目標芯片進行了仿真和測試，結果完全符合設計要求。在一些特殊的場合，這種占空比為50%或接近50%的整數、半整數分頻電路是很重要的。

參考文獻

[1]張多利. 李麗. 高明倫等. 可配置非冪方分頻器的全新設計方法[J]. 電子學報，2002.8：1250-1251

[2]黃海生. 一種可控分頻比分頻器的設計與研究[J]. 計算機工程與設計，2002.3：8-9

[3]張宗玉. 宋云嫻. 喬鳳蘭. 分頻系數為半整數分頻器的CPLD設計[J]. 現代電子技術，2001.1：63-64

[4]謝玉梅. 湯放奇. 基于GAL的可程控n分頻器的設計[J]. 長沙電力學院學報，2001.11：51-54