简单分频原理与实现——计数器 计数器, 分频器, 数码管, 动态, 通信

yuyang911220

一个数字系统中往往需要多种频率的时钟脉冲作为驱动源，这样就需要对FPGA的系统时钟（频率较高）进行分频。  
比如在进行流水灯、数码管动态扫描设计时不能直接使用系统时钟（太快而肉眼无法识别），或者需要进行通信时，  
由于通信速度不能太高（由不同的标准限定），这样就需要对系统时钟分频以得到较低频率的时钟。  
分频器主要分为偶数分频、奇数分频、半整数分频和小数分频，如果在设计过程中采用参数化设计，就可以随时改变参量以得到不同的分频需要。  
在对时钟要求不是很严格的FPGA系统中，分频通常都是通过计数器的循环计数来实现的。  

偶数分频（2N）  
偶数分频最为简单，很容易用模为N的计数器实现50%占空比的时钟信号，即每次计数满N（计到N-1）时输出时钟信号翻转。  
奇数分频（2N+1）  
使用模为2N+1的计数器，让输出时钟在X-1（X在0到2N-1之间）和2N时各翻转一次，则可得到奇数分频器，但是占空比并不是50%（应为 X/(2N+1)）。  
得到占空比为50%的奇数分频器的基本思想是：将得到的上升沿触发计数的奇数分频输出信号CLK1，和得到的下降沿触发计数的相同(时钟翻转值相同)奇数分频输出信号CLK2，  
最后将CLK1和CLK2相或之后输出，就可以得到占空比为50%的奇数分频器。原理图如下：  
  
用Quartus II 得到的占空比为50%的9分频时钟输出信号outclk如下：  
  

半整数分频（N-0.5）  
基本设计思想为：首先进行模N的计数，计数到N-1时输出时钟翻转；而且在计数返回到0时，输出时钟再次翻转。  
所以，只要使计数值N-1保持半个时钟周期，即可实现N-0.5分频时钟。那么如何保持半个时钟周期呢？  
因为计数器是上升沿触发计数，如果在计数值=N-1时把计数器的触发时钟翻转，则时钟的下降沿就变成了上升沿。即计数值=N-1时，时钟马上翻转，  
则计数值保持半个时钟周期后，会遇到上升沿而使计数值归0. 然后计数器以翻转了的时钟继续计数，在产生N-0.5个分频周期后，时钟再次翻转。  

2.5分频的时序示意图如下：  
  
怎样才能够使计数器的触发时钟在N-1时翻转呢？ 由半整数分频器的原理图可知，将输出时钟二分频后和输入时钟相异或就可使触发时钟翻转。  

半整数分频器原理图如下：  
  
用Quartus II 实现的2.5分频时序图如下：  
  
由通用分频器电路组成图可以看到，半整数分频器是由整数分频器加上二分频和异或门而构成的。  
那么，如果使用元件例化的思想就可以得到通用的分频（即可选择整数分频和半整数分频）。