基于CPLD 的单片方波信号倍频器及输出任意倍频信号

取的上升沿触发计数模块锁存计数值，锁存后

清零计数模块计数值，进行下一轮计数。高精

度计数模块对输入信号的每一个周期都进行计

数和刷新计数值，保证了计数值的实时性。

2.3.2 32 位除法器模块

32 位除法器模块用以获得倍频输出信号

Fout 的周期，该模块可进行32 位二进制数的

除法运算，以保障运算的精度。运算结果包括

商和余数两部分。除数通过接口控制模块设

置成倍频值Z 的两倍，即2Z，被除数为输入

信号的计数值N1 加上计数补偿模块的补偿值

△ N，运算结果为商M 和余数M0，整个除法

器完成的数学计算为：

(N1 + △ N) /2Z = M……M0 （1）

其中M 和M0 输入到后级的倍频信号发

生器，控制倍频信号的产生。

2.3.3 倍频信号发生器

倍频信号发生器用于控制倍频信号的产

生。检测到输入信号的上升沿时倍频信号个数

计数器CN 清零，CN 小于M0 时，倍频信号

以M+1 为翻转周期，每翻转一次CN 加1，

CN 不小于M0 时，倍频信号以M为翻转周期。

在一个输入信号周期内，倍频信号发生器产

生M0/2 个翻转周期为M+1 的方波信号和(ZM0/

2) 个翻转周期为M 的方波。Z 个方波信号

的总计数周期为：

M 0 / 2 * 2 ( M + 1 ) + ( Z -

M0/2)*2M=MM0+M0+2MZ-MM0=2MZ+M0=N

1+ △N （2）

2.3.4 信号分频器

信号分频器用于对倍频信号进行Z 分频。

由式(2) 可知，Z 个倍频信号的总计数周期为

N1+ △ N，所以对倍频信号Z 分频后得到的信

号计数周期为N1+ △ N，即后级的高精度计

数模块计数值N2 为N1+ △ N。

2.3.5 计数补偿模块

计数补偿模块用以跟踪输入信号Fin 的周

期，计数补偿模块是整个环路的最重要的一

环，其功能是实时追踪输入信号Fin 的计数周

期N1 和输出信号Fout1 的计数周期N2 是否

相等，如果不相等，调节△ N 的值，使两者

相等，△ N 检测到输入信号上升沿完成刷新，

即一个输入信号周期完成一次补偿。从而完成

频率跟踪。

2.3.6 接口控制模块

接口控制模块可实现三种方式的倍频值

设定。分别为8 位并口总线传输，SPI 三线传输，

16 位硬件电路固定值传输。三种方式设置方

式使倍频模块应用更加方便、灵活。

3 系统实现

该系统采用Altera 公司的FPGA 芯片

EP1C3T100 和Quartus II 软件设计实现。各个

模块的代码由硬件描述语言Verilog 编写，再

由软件模块化，顶层文件调用各个模块，组成

整个系统。运用仿真软件Modelsim 对该系统

进行仿真，对于无法通过直接设置FPGA 内的

锁相环获得所需的时钟的情况，可采用倍频的

方案实现，其仿真波形如图5 所示。

在图5 中，CLK 是系统时钟信号，IN_

CLK 是输入信号，fen 是输出的锁相信号，

OUT_CLK 是倍频信号。在该仿真中，设置的

倍频值为10，锁相角度为90°，如图6 所示，

输出的锁相信号经过两个周期的跟踪，相位被

锁定，说明IN_CLK 输入信号与OUT_CLK 输

出信号满足10 倍频的关系。

以Altera 公司的FPGA 芯片EP1C3T100

为载体，对所设计的系统进行了实物性能测试，

系统时钟频率为10MHz。在10MHz 系统时钟

工作下，能够实现对0.1Hz~1MHz 输入方波信

号。进行倍频。在倍频信号最大输出频率内，

最大倍频值可以达到65535 倍，图6 显示了设

定不同倍频值下最大的输入信号频率。

4 结论

通过软件仿真和基于EP1C3T100 芯片的

实物测试，证明了本文提供的基于10MHz 恒

温晶振和FPGA 芯片实现任意频率的高精度、

高稳定度的时钟信号源方法，是正确的和可实

现的。所获得的时钟的精度和稳定度与恒温晶

振完全一致，是一种低成本实现高精度、高稳

定度的时钟信号有效方法。

参考文献

[1] 沈维聪, 肖伟翔, 朱亮. 基于CPLD 的单

片方波信号倍频器及输出任意倍频信号的

方法[P]. 发明专利:201410514131.1, 武

汉理工大学,2014(09).

[2] 沈维聪，朱亮，刘青霞等. 一种基于FPGA

和10MHz 恒温晶振的脉冲信号源[P]. 实

用新型专:201521018194.4, 武汉理工大

学,2015(12).

作者简介

沈增帧（1987-），女，硕士研究生，现为武

汉理工大学信息工程学院助理实验师，现从事

单片机的实验与应用，曾带队参加2015 年全

国大学生电子设计竞赛取得全国一等奖。

作者单位

武汉理工大学信息工程学院 湖北省武汉市

430000

图5：倍频信号输出仿真波形

图6：不同倍频值下最大的输入信号频率