半整数分频器的设计

22.半整数分频器的设计
一、实验原理：
1小数分频的基本原理
设有一个5 MHz的时钟源，但电路中需要产生一个2 MHz的时钟信号，由于分频比为2.5，因此整数分频器将不能胜任。

采用可编程逻辑器件实现分频系数为2.5的分频器，可采用以下方法：设计一个模3的计数器，再设计一个扣除脉冲电路，加在模3计数器输出之后，每来两个脉冲就扣除一个脉冲(实际上是使被扣除的脉冲变成很窄的脉冲，可由异或门实现)，就可以得到分频系数为2.5的小数分频器。

采用类似方法，可以设计分频系数为任意半整数的分频器。

小数分频的基本原理为脉冲吞吐计数法：设计两个不同分频比的整数分频器，通过控制单位时间内两种分频比出现的不同次数，从而获得所需的小数分频值。

例如设计一个分频系数为10.1的分频器，可以将分频器设计成9次10分频，1次11分频，这样总的分频值为 (9×10+1×11)/(9+1) =10.1
从这种实现方法的特点可以看出，由于分频器的分频值在不断改变，因此分频后得到的信号抖动较大。

当分频系数为N-0.5(N为整数)时，可控制扣除脉冲的时间，使输出为一个稳定的脉冲频率，而不是一次N分频，一次N-1分频。

1.2 电路组成
设需要设计一个分频系数为N-0.5的分频器，其电路可由一个模N计数器、一个二分频器和一个异或门组成，如图1所示。

在实现时，模N计数器可设计成带预置的计数器，这样就可以实现任意分频系数为N-0.5的分频器。

二、半整数分频器代码：
VHDL程序：
LIBRARY IEEE;
USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;
ENTITY deccount IS
PORT (
inclk: IN STD_LOGIC; --时钟源
preset: IN STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); --预置分频值N
outclk1: OUT STD_LOGIC;
outclk2: BUFFER STD_LOGIC ); --输出时钟
END deccount;
ARCHITECTURE deccount_arch OF deccount IS
SIGNAL clk, divide2: STD_LOGIC;
SIGNAL count: STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);
BEGIN
clk<=inclk XOR divide2; --inclk与divide2异或后作为模N计数器的时钟
outclk1<=inclk; --outclk1和inclk同步
PROCESS(clk)
BEGIN
IF(clk'event AND clk='1') THEN
IF(count="0000") THEN
count<=preset-1; --置整数分频值N
outclk2<='1';
ELSE
count<=count-1; --模N计数器减法计数
outclk2<='0';
END IF;
END IF;
END PROCESS;
PROCESS(outclk2)
BEGIN
IF(outclk2'event AND outclk2='1') THEN
divide2<=NOT divide2; --输出时钟二分频
END IF;
END PROCESS;
END deccount_arch;
三、程序仿真波形
如输入preset=6，即分频值为5.5
功能仿真波形如下
由于内置时钟频率为50MHZ，频率过大使波形不准确。

所以再输入信号前再连接一个分频器
library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
use ieee.std_logic_unsigned.all;
entity clk is
port
( clk : in std_logic;
en : in std_logic;
qcnt : buffer std_logic_vector( 24 downto 0);
clkout :buffer std_logic
);
end clk;
architecture behave of clk is
begin
process (clk)
begin
if(en='1') then
if(clk'event and clk='1') then
if(qcnt="1011111010111100001000000") then
qcnt<="0000000000000000000000000";
else
qcnt<=qcnt+1;
end if;
end if;
end if;
clkout<=qcnt(8);
end process;
end behave;
引脚设置
CLK 62
Preset[0] 33
Preset[1] 34
Preset[2] 35
Preset[3] 36
Outclk1 27
Outclk2 28
可以通过开关量输入接口输入preset，设置N，设计0.5~15.5的分频器示波器连接27，可观察outclk1的波形，即输入波形
示波器连接28，可观察outclk2的波形，即分频后输出波形
四、实验箱结果
输入波形CLK如下
N=2时，分频为1.5，输出outclk2如下
N=3时，分频为2.5，输出outclk2如下
N=4，分频3.5。

输出outclk2如下
N=5，分频4.5，输出outclk2如下
N=6，分频5.5 输出outclk2如下
只需调节开关量输入接口，N可以从0取到16。