【從零開始走進FPGA】教你什么才是真正的任意分頻
發布時間：2016-2-19 09:04
發布者：designapp
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一、為啥要說任意分頻 也許FPGA中的第一個實驗應該是分頻實驗，而不是流水燈，或者LCD1602的"Hello World"顯示，因為分頻的思想在FPGA中極為重要。當初安排流水燈，只是為了能讓大家看到效果，來激發您的興趣(MCU的學習也是如此)。 在大部分的教科書中，都會提到如何分頻，包括奇數分頻，偶數分頻，小數分頻等。有些教科書中也會講到任意分頻(半分頻，任意分數分頻)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講到精準，淺顯易懂的高精度任意分頻原理(至少Bingo沒看到過)，同時也沒有一種設計能用同一個電路實現任意頻率的控制。Bingo對于當年做的任意波形發生器時候的相位累加器原理，從中受到啟發，總結出高精度任意頻率合成的重要思維，在此貢獻給大家，希望對大家有用。 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，在波形發生器中有極其重要的應用。DDS主要由以下幾部分組成： a) 相位累加器 b) RAM數據讀取 c) D/A轉換器 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計數，循環讀取RAM的數據，從而得到固定頻率的波形數據。 (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，根據算法，來實現相位的變化，分析如下所示： 假定FPGA基準頻率為50MHz，即基準頻率： (MHz) 假定計數器為32位計數器，即 ; K為頻率控制字，則相位輸出的頻率為： (1) 即 (2) 根據相位累加原理，以及RAM緩存讀取數據，每一次 的循環，RAM數據間隔K讀取一次。 當K=1的時候，公式能輸出最小頻率，根據公式(1): 所以，最小波形頻率步進為0.011655Hz。 當fo=1Hz的時候，根據公式(2) 所以，每Hz的增減，K的步進為85.90。 當K=N/2的時候，公式能輸出最大頻率(因為每個CLK跳變一次)，此時，根據公式(1)，得到 ： 因此，根據頻率控制字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中某些應用場合，對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。 我們規定，對Cnt進行對半50%拆分，具體如下： (1)當 的時候， ，即低電平; (2)當 的時候，fo=1，即高電平。 同上： 在FPGA中應用，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，相應移植總結出來的任意頻率分頻原理，本模塊應用在多個對頻率精準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的方法，一定程度上能夠提高數據傳輸的準確率)。 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用。在某些應用場合，還是值得考慮的。本應用純屬Bingo個人主觀應用，如有異議，請聯系本人。 |
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