【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 果在設(shè)計(jì)人員之間方便地進(jìn)行交流和共享，從而減小硬件電路設(shè)計(jì)的工作量，縮短開(kāi)發(fā)周期 [8]。 QUARTUS II 簡(jiǎn)介Quartus II 是 Altera 公司設(shè)計(jì)的綜合性 PLD 開(kāi)發(fā)軟件，它支持原理圖、VHDL、VerilogHDL 以及 AHDL 等多種設(shè)計(jì)輸入形式，內(nèi)嵌有綜合器以及仿真器，可以完成從設(shè)計(jì)輸入到硬件配置的完整 PLD 設(shè)計(jì)流程 [9]。Quartus II 可以在 XP、 Linux 以及 Unix 上使用，除了可以使用 Tcl 腳本完成設(shè)計(jì)流程外，提供了完善的用戶圖形界面設(shè)計(jì)方式。具有運(yùn)行速度快，界面統(tǒng)一，功能集中，易學(xué)易用等特點(diǎn)。此外，Quartus II 通過(guò)和 DSP Builder 工具與 Matlab/Simulink 相結(jié)合，可以方便地 第 7 頁(yè) 實(shí)現(xiàn)各種 DSP 應(yīng)用系統(tǒng)；支持 Altera 的片上可編程系統(tǒng)（SOPC）開(kāi)發(fā)，集系統(tǒng)設(shè)計(jì)、嵌入式軟件開(kāi)發(fā)、可編程邏輯設(shè)計(jì)于一體，是一種綜合性的開(kāi)發(fā)平臺(tái) [10]。Quartus II 支持 Altera 的 IP 核，包含了 LPM/MegaFunction 宏功能模塊庫(kù)，這樣可以使用戶充分的利用成熟的模塊，從而簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，進(jìn)而加快了設(shè)計(jì)的速度。Quartus II 支持的器件類型非常豐富，其圖形界面也易于操作。Altera 在 Quartus II 中包含了許多諸如 SignalTap II、Chip Editor 和 RTL Viewer 的設(shè)計(jì)輔助工具，集成了 SOPC和 HardCopy 的設(shè)計(jì)流程，并且繼承了 Maxplus II 友好的圖形界面及簡(jiǎn)便的使用方法。Quartus II 作為一種可編程邏輯的設(shè)計(jì)環(huán)境 , 由于其強(qiáng)大的設(shè)計(jì)能力和直觀易用的接口，越來(lái)越受到數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)者的喜愛(ài)和歡迎 [11]。Quartus II 提供了完全集成且與電路結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)的開(kāi)發(fā)包環(huán)境，具有數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)的全部特性，包括：可利用原理圖、結(jié)構(gòu)框圖、VerilogHDL、AHDL 和 VHDL 完成電路描述，并將其保存為設(shè)計(jì)實(shí)體文件；芯片（電路）平面布局連線編輯；LogicLock 增量設(shè)計(jì)方法，用戶可建立并優(yōu)化系統(tǒng)，然后添加對(duì)原始系統(tǒng)的性能影響較小或無(wú)影響的后續(xù)模塊；功能強(qiáng)大的邏輯綜合工具；完備的電路功能仿真與時(shí)序邏輯仿真工具；定時(shí)/時(shí)序分析與關(guān)鍵路徑延時(shí)分析；可使用 SignalTap II 邏輯分析工具進(jìn)行嵌入式的邏輯分析；支持軟件源文件的添加和創(chuàng)建，并將它們鏈接起來(lái)生成編程文件；使用組合編譯方式可一次完成整體設(shè)計(jì)流程；自動(dòng)定位編譯錯(cuò)誤；1高效的期間編程與驗(yàn)證工具；1可讀入標(biāo)準(zhǔn)的 EDIF 網(wǎng)表文件、VHDL 網(wǎng)表文件和 Verilog 網(wǎng)表文件；1能生成第三方 EDA 軟件使用的 VHDL 網(wǎng)表文件和 Verilog 網(wǎng)表文件。Altera 的 Quartus II 可編程邏輯軟件屬于第四代 PLD 開(kāi)發(fā)平臺(tái)。該平臺(tái)支持一個(gè)工作組環(huán)境下的設(shè)計(jì)要求，其中包括支持基于 Inter 的協(xié)作設(shè)計(jì)。Quartus 平臺(tái)與Cadence、ExemplarLogic、 MentorGraphics、Synopsys 和 Synplicity 等 EDA 供應(yīng)商的 第 8 頁(yè) 開(kāi)發(fā)工具相兼容。改進(jìn)了軟件的 LogicLock 模塊設(shè)計(jì)功能，增添了 FastFit 編譯選項(xiàng)，推進(jìn)了網(wǎng)絡(luò)編輯性能，而且提升了調(diào)試能力。支持 MAX7000/MAX3000 等乘積項(xiàng)器件[12]。 2 分頻基本原理 等占空比偶數(shù)分頻方法在 設(shè) 計(jì) 偶 數(shù) 倍 分 頻 器 時(shí) ,常 用 的 方 法 是 ： 通 過(guò) 一 個(gè) 由 待 分 頻 時(shí) 鐘 上 升 沿 所 觸 發(fā)的 計(jì) 數(shù) 器 循 環(huán) 計(jì) 數(shù) 來(lái) 實(shí) 現(xiàn) N 倍 (N 為 偶 數(shù) )分 頻 的 實(shí) 現(xiàn) 方 法 ： 通 過(guò) 由 待 分 頻 的 時(shí) 鐘觸 發(fā) 的 模 為 (N/2)1 的 計(jì) 數(shù) 器 計(jì) 數(shù) ， 當(dāng) 計(jì) 數(shù) 器 從 0 計(jì) 數(shù) 到 (N/2)1 時(shí) ， 輸 出 時(shí) 鐘 信 號(hào)進(jìn) 行 翻 轉(zhuǎn) ， 同 時(shí) 給 計(jì) 數(shù) 器 一 個(gè) 復(fù) 位 信 號(hào) ,使 得 計(jì) 數(shù) 器 在 下 一 個(gè) 時(shí) 鐘 重 新 開(kāi) 始 計(jì) 數(shù) ，采 用 這 種 方 法 不 斷 循 環(huán) ， 就 可 得 到 所 需 的 N 倍 分 頻 器 。 這 種 方 法 可 以 實(shí) 現(xiàn) 占 空 比為 50%的 任 意 偶 數(shù) 分 頻 等占空比的奇數(shù)分頻方法占 空 比 為 50%的 N 倍 (N 為 奇 數(shù) )分 頻 的 實(shí) 現(xiàn) 方 法 :首 先 通 過(guò) 時(shí) 鐘 的 上 升 沿 觸 發(fā)進(jìn) 行 計(jì) 數(shù) ， 當(dāng) 計(jì) 數(shù) 到 某 一 個(gè) 特 定 值 時(shí) 對(duì) 計(jì) 數(shù) 輸 出 進(jìn) 行 翻 轉(zhuǎn) ， 然 后 經(jīng) 過(guò) (N1)/2 個(gè) 輸入 時(shí) 鐘 ， 再 次 對(duì) 計(jì) 數(shù) 輸 出 進(jìn) 行 翻 轉(zhuǎn) ， 從 而 得 到 一 個(gè) 占 空 比 非 50%的 N 倍 奇 數(shù) 分頻 時(shí) 鐘 。 在 此 同 時(shí) 進(jìn) 行 時(shí) 鐘 的 下 降 沿 觸 發(fā) 進(jìn) 行 計(jì) 數(shù) ， 當(dāng) 計(jì) 數(shù) 到 和 上 升 沿 觸 發(fā) 輸 出 時(shí)鐘 翻 轉(zhuǎn) 時(shí) 所 選 的 特 定 值 相 同 時(shí) ， 對(duì) 計(jì) 數(shù) 輸 出 進(jìn) 行 翻 轉(zhuǎn) ,同 樣 經(jīng) 過(guò) (N1)/2 個(gè) 時(shí) 鐘 時(shí) ，再 次 對(duì) 計(jì) 數(shù) 輸 出 進(jìn) 行 翻 轉(zhuǎn) ， 從 而 得 到 另 一 個(gè) 占 空 比 非 50%的 N 倍 奇 數(shù) 分 頻 時(shí) 鐘 。然 后 對(duì) 兩 個(gè) 占 空 比 非 50%的 N 倍 奇 數(shù) 分 頻 時(shí) 鐘 進(jìn) 行 邏 輯 或 運(yùn) 算 ， 就 能 得 到 一 個(gè) 占空 比 為 50%的 N 倍 奇 數(shù) 分 頻 時(shí) 鐘 。 如 進(jìn) 行 三 倍 分 頻 時(shí) 鐘 設(shè) 計(jì) 時(shí) ， 先 通 過(guò) 待 分 頻 時(shí) 鐘上 升 沿 觸 發(fā) 計(jì) 數(shù) 器 進(jìn) 行 模 三 計(jì) 數(shù) ， 當(dāng) 計(jì) 數(shù) 器 計(jì) 數(shù) 到 特 定 值 時(shí) 進(jìn) 行 翻 轉(zhuǎn) ， 比 如 可 以在 計(jì) 數(shù) 器 計(jì) 數(shù) 到 時(shí) ， 輸 出 時(shí) 鐘 進(jìn) 行 翻 轉(zhuǎn) ， 當(dāng) 計(jì) 數(shù) 到 2 時(shí) 再 次 進(jìn) 行 翻 轉(zhuǎn) ,這 樣 實(shí) 際 上實(shí) 現(xiàn) 一 個(gè) 占 空 比 為 1/3 的 三 分 頻 時(shí) 鐘 。 然 后 通 過(guò) 待 分 頻 時(shí) 鐘 下 降 沿 觸 發(fā) 計(jì) 數(shù) ,采 用和 上 升 沿 觸 發(fā) 的 計(jì) 數(shù) 相 似 的 方 法 ， 可 以 產(chǎn) 生 另 外 一 個(gè) 三 分 頻 的 時(shí) 鐘 ， 然 后 下 降 沿產(chǎn) 生 的 三 分 頻 時(shí) 鐘 和 上 升 沿 產(chǎn) 生 的 時(shí) 鐘 進(jìn) 行 邏 輯 或 運(yùn) 算 ,就 可 得 到 占 空 比 為 50% 第 9 頁(yè) 的 三 分 頻 時(shí) 鐘 [6]。 分?jǐn)?shù)分頻方法數(shù)分頻器的設(shè)計(jì)思想與小數(shù)分頻器類似。假設(shè)進(jìn)行 .分頻，總分頻次數(shù)由分母jnmm 決定，規(guī)律是進(jìn)行 n 次 j+1 分頻和 mn 次 j 分頻。兩種分頻交替進(jìn)行的計(jì)算方法也和小數(shù)分頻類似。究竟是進(jìn)行 j+1 分頻還是 j 分頻就看累加的結(jié)果是大于等于分母還是小于分母。 的分頻計(jì)算過(guò)程見(jiàn)表 可見(jiàn)要進(jìn)行 6 次 4 分頻，5 次 3 分頻，滿足上面631的規(guī)律。分?jǐn)?shù)分頻器，其中 j、m、n 分別取 16，故實(shí)現(xiàn)了 分頻，參數(shù)61nn2 用來(lái)調(diào)節(jié)占空比。表 分頻序列1分頻次數(shù) 累加器 分頻系數(shù)1 6 32 12 43 8 34 14 45 10 46 16 37 12 48 8 39 14 410 10 311 16 4 小數(shù)分頻方法小數(shù)分頻器是通過(guò)可變分頻和多次平均的方法得到的 [45]。假設(shè)要進(jìn)行 m，n 分頻（m、n 都是整數(shù)，且 n＜10） ，因?yàn)橹挥幸晃恍?shù)，所以總共要進(jìn)行 10 次分頻，總的 第 10 頁(yè) 規(guī)律是進(jìn)行 n 次 m+1 分頻， 10n 次ｍ分頻。假設(shè)要進(jìn)行 j，m,n 分頻（j、m 、n 都足整數(shù)且 m、n＜10） ，由于小數(shù)是 2 位，所以總共要進(jìn)行 100 次分頻，分頻的規(guī)律是進(jìn)行行 mn 次 j+1 分頻，100mn 次 j 分頻。不管是幾位小數(shù)總要進(jìn)行兩種系數(shù)的分頻，兩種分頻究竟如何交義進(jìn)行，可以根據(jù)一定的規(guī)律計(jì)算出來(lái)，下面以 分頻為例進(jìn)行講解。由上面的分析知道 分頻要進(jìn)行 6 次 4 分頻，4 次 3 分頻。將小數(shù)部分 6 按倍累加，假設(shè)累加的值為 a，如果 a＜10 則進(jìn)行 3 分頻，a＜10 的話下一次則加上 6，此后，如果 a≥10 則進(jìn)行 4 分頻， 4 分頻過(guò)后再將累加值減去 4 后與 10 比較以決定下一次分頻是 4 分頻還是 3 分頻，計(jì)算過(guò)程見(jiàn)表 。表 分頻序列分頻次數(shù) 累加器 分頻系數(shù)1 6 32 12 43 8 34 14 45 10 46 6 37 12 48 8 39 14 410 10 4從表 中看出分頻規(guī)律是：首先進(jìn)行 3 分頻，然后進(jìn)行 4 分頻，接著 1 次 3 分頻和 2 次 4 分頻，如此循環(huán)下去。 任意倍數(shù)分頻器加入控制模塊就可以將上述 4 種分頻器集成到一起，變成任意數(shù)值分頻器，頂層原理見(jiàn)圖 第 11 頁(yè) 圖 任意倍數(shù)分頻器框圖當(dāng)輸入的二進(jìn)制數(shù) a=00 時(shí)實(shí)現(xiàn)偶數(shù)和占空比不等于 50％的奇數(shù)分頻，a=01 時(shí)實(shí)現(xiàn)占空比為 50％的奇數(shù)分頻，a=10 和 ll 時(shí)分別實(shí)現(xiàn)小數(shù)和分?jǐn)?shù)分頻。其中 m、j 分別控制整數(shù)分頻的分頻系數(shù)和占空比。小數(shù)分頻時(shí) m、n 分別調(diào)整整數(shù)部分和小數(shù)部分；分?jǐn)?shù)分頻時(shí) j 調(diào)整整數(shù)部分，而 m、n 分別控制分母和分子值。nl 和 n2 用于調(diào)節(jié)分?jǐn)?shù)和小數(shù)分頻的占空比。因?yàn)橛行?shù)和分?jǐn)?shù)分頻，所以預(yù)置端口較多，但是可調(diào)性也達(dá)到了最大。任意倍數(shù)分頻器clka(1 downto 0)mjnn1n2y 第 12 頁(yè) 3 任意倍數(shù)分頻器設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)思想本設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)思想是：把偶數(shù)分頻，奇數(shù)分頻，半整數(shù)分頻，占空比可調(diào)的分頻，小數(shù)分頻這 5 種比較常見(jiàn)的分頻器集成在一塊芯片之上，并可以通過(guò)按鈕來(lái)選擇具體由哪一種分頻器進(jìn)行操作，而撥碼開(kāi)關(guān)則可以預(yù)置一些分頻系數(shù)，發(fā)光二極管則顯示具體由那種分頻實(shí)現(xiàn)，數(shù)碼管顯示分頻的系數(shù)。具體功能如下：p，q，v：功能選擇按鈕。f1，f2，f3，f4 ，f5:表明功能的序號(hào)。P=0，q=0 ，v =0 :偶數(shù)分頻，f1=1 ，f2=f3=f4=f5=0；P=0，q=0，v =1 :奇數(shù)分頻，f2=1 ，f1=f3=f4=f5=0；P=0，q=1 ，v =0:半整數(shù)分頻，f3=1 ，f1=f2=f4=f5=0；P=0，q=1 ，v =1:可預(yù)置占空比分頻，f4=1 ，f1=f2=f3=f5=0；P=1，q=0 ，v =0:小數(shù)分頻，f5=1 ，f1=f2=f3= f4=0；clk：時(shí)鐘信號(hào)。Rst:復(fù)位信號(hào)。a,b,c,d:表明分頻系數(shù)偶數(shù)分頻：2，4，6，8，10，12，14奇數(shù)分頻：1，3，5，7，9，11，13，15半整數(shù)分頻：—占空比分頻：1:1，1:2，1:3，2:1，2:2，2:3，3:1，3:2，3:3小數(shù)分頻：—y：輸出信號(hào)。y5：段選擇信號(hào)。 y6：位選擇信號(hào)。y6=fb 選中第三個(gè)數(shù)碼管 y6=fd 選中第二個(gè)數(shù)碼管 y6=fe 選中第一個(gè)數(shù)碼管，數(shù)碼管顯示分頻系數(shù)。 第 13 頁(yè) 頂層框圖設(shè)計(jì) 圖 頂層框圖設(shè)計(jì)原理圖該頂層框圖主要由六個(gè)部分組成：選擇按鈕，撥碼開(kāi)關(guān)，二極管，分頻器種類選擇，信號(hào)輸出。各部分的功能如下：選擇按鈕：設(shè)置輸入的方式，選擇需要實(shí)現(xiàn)何種分頻。撥碼開(kāi)關(guān)：提供分頻的系數(shù)。發(fā)光二極管：顯示第幾種分頻被選擇。FPGA：根據(jù)前面的輸入來(lái)確定何種分頻器進(jìn)行工作。數(shù)碼管：顯示分頻系數(shù)。信號(hào)輸出：把分頻后的信號(hào)進(jìn)行輸出。 頂層文件設(shè)計(jì)分頻器的頂層文件是一個(gè)原理圖文件，它包含 8 個(gè)模塊 8 個(gè)模塊 encoder35 模塊，led 模塊，fenpine 模塊， fenpino 模塊，fenpinm 模塊，fenpinh 模塊，fenpinx 模塊，mux51 模塊。模塊的正確性已在上面的介紹中進(jìn)行驗(yàn)證了。通過(guò)將各個(gè)模塊用具有電氣性質(zhì)的導(dǎo)線將各個(gè)模塊連接起來(lái)，這樣原理圖文件就建好了。保存編譯。在建立一 波形文件，保存并仿真。原理圖見(jiàn)附錄 B 所示，以 8 分頻為例子進(jìn)行仿真，其仿真結(jié)果如圖 所示：選擇按鈕 撥碼開(kāi)關(guān) FPGA 輸出信號(hào)發(fā)光二級(jí)管數(shù)碼管 第 14 頁(yè)