小数分频器
更新时间：2017-10-25 11:13
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分频器是数字系统设计中最常见的电路之一 ,在数字系统设计中 , 经常需要对时钟进行小数倍分频。
基本原理
小数分频器的实现方法很多,但其基本原理一样,即在若干个分频周期中采取某种方法使某几个周期多计或少计1个数,即吞脉冲或插入脉冲的方法,从而在平均意义上获得1个小数分频比,设要进行分频比为N的小数分频,N可表示为N=K+10-nX式中,n,K,X均为正整数;n为到X的位数,即N有n位小数。
另一方面,分频比又可以写成:N=M/P式中:M为分频器输入脉冲数;P为输出脉冲数。M=NP=(K+10-nX)P令P=10n,则有M=10nK+X以上是小数分频器的一种实现方法,即在进行10nK次分频时,设法多输入X个脉冲。
电路组成及工作原理
整个电路由整数/半整数分频器、计数(10分频)器和译码器、D触发器、输出选择器等组成。分频器完成对输入信号的整数或半整数分频功能,计数和译码部分完成输入脉冲的计数和控制信号产生功能,触发器产生控制所需要的信号。n=5,即实现小数点后5位分频。原理图和程序的对应关系为:5个预置数(E、F、G)从左到右依次记为pdata0、pdata1、pdata2、pdata3、pdata4,输出数据选择器的选择端记为equal05,分频系数的整数部分记为datain。
该电路是在单片机或CPLD的其它模块配合下工作的,当需要实现某个系数的分频时,单片机等控制电路向该模块设置参数,包括分频系数的整数部分、预置数、hight05、和equal05。当分频系数N=0.5时,equal05=1,整数分频系数为N。当分频系数N≠0.5时,如果小数部分小于0.5,如分频系数为N=0.23456,则控制方法为equal05=0、high05=0、datain=N、pdata0、pdata1、pdata2、pdata3、pdata4分别为2、3、4、5、6;小数部分大于0.5时,则用1减去小数部分后的差值作为预置数,如分频系数为N=0.76567,则控制方法为equal05=0、high05=1、datain=N、pdata0、pdata1、pdata2、pdata3、pdata4分别为2、3、4、3、3,即pdata0、pdata1、pdata2、pdata3、pdata4=1-0.76567=0.23433。
计数器(10分频)和译码器就是确定输入多少个脉冲,在整数/半整数分频器的输出中增加或去除半个脉冲。该电路小数的位数可以根据需要任意设置,主要取决于CPLD的硬件资源情况。
小数分频器的应用
小数分频器在数字系统设计中的应用非常广泛,经常是各个模块需要的频率不相同,这就需要对时钟进行分频得到各模块需要的时钟频率。但常规的整数分频器(实际就是计数器)不能满足要求,例如,若基准时钟频率为100MHz,对其进行整数分频,只能得到50MHz、25MHz等频率值,如想得到30MHz、20MHz等频率值,就需要应用小数分频器对基准时钟进行小数分频。
在DDS波形发生器设计和步进电机驱动中,需要对输出信号频率进行控制,若采用一般计数器来进行分频,由上述分析可知,输出信号频率值的连续性就受到限制。为了使输出信号频率值能连续可控,就需进行小数分频。
1在DDS技术中的应用
频率控制字送入分频器,设基频频率为fin,分频倍数为W,则计数器的时钟频率为为fin/W。计数器在频率fin/W的时钟作用下计数对查找表寻址输出波形数据。若查找表存储深度为M(一个周波存储M个点),则输出波形的频率为fo=finWM(5)式中,fin为基频频率、存储深度M为一定值,这样就只需控制分频倍数K来控制合成波形的频率。
在DDS技术中,常用的技术是采用累加器对查找表寻址。但采用这种方法时,在输出高频与低频波形时的寻址点数不同,在高频寻址点数较少,而在低频时点数较多,为保证在频率较高时输出的波形失真度小,在低频阶段,寻址的点数就比较多,需要较深的存储深度。而采用图4所示的方法,则不管在低频或高频,寻址点数一样,这样就可以采用一致的存储深度,节约存储器。特别是采用CPLD进行系统设计时,查找表也可采用CPLD来设计,易于系统集成。
2在步进电机驱动中的应用
步进电机是一种用电脉冲信号进行控制,将电脉冲信号转换为相应的角位移或线位移的控制电机。在步进电机的驱动中,需要对步进电机转速进行控制。基准时钟在频率控制字作用下分频得到所需频率的脉冲作为脉冲分配器的时钟,这样即可控制脉冲分配器输出驱动脉冲的速率,经功率放大后驱动步进电机。
此外,步进电动机的最高起动频率(突跳频率)一般为几百Hz到三、四千Hz,而最高运行频率则可以达到几万Hz。以超过最高起动频率的频率直接起动,将出现“失步”(失去同步)现象,有时根本就转不起来。而如果先以低于最高起动频率的某一频率起动,再逐步提高频率,使电机逐步加速,则可以到达最高运行频率。而且,对于正在快速旋转的步进电动机,若需停转,立即停发脉冲,令其立即准确锁定,也是很难实现的;由于惯性,电动机往往会冲过头,也会出现失步。如果电动机的工作频率总是低于最高起动频率,当然不会失步,但电动机的潜力没有发挥,工作速度太低了。
