基于FPGA小数分频频率合成器的设计

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1192008年第9期技术创新

基于FPGA小数分频频率合成器的设计

张横云

(四川科技职工大学计算机系)

摘要

关键词本文介绍了小数分频频率合成器的原理,在此基础上提出了一种改进的基于FPGA小数分频器的分频原理算法及电路设

计。

频率合成器小数分频现场可编程门阵列

在许多应用中,要求频率合成器具有很高的频率分辨率,但当频

率步级变小时,输出频率与输入参考频率之间的分频比(输入频率

:输出频率)就会增大,相位噪声也会随之变大。小数分频的最大特

点是在不降低基准频率(输入参考频率)的情况下提高频率分辨率

(分辨力),解决了转换速率和频率分辨率之间的矛盾。在本文中对

小数分频(F-NPLL)的理论进行了深入研究,得出了一种改进的小数分频频率合成理论算法。这种改进的小数分频技术使频率合成器输出脉冲可能引起的最大时偏从原有小数分频理论的一个基准时钟降低到0.5,从而使频率合成器具有更小的相位噪声、更均匀的脉冲分布、输出瞬时频率更精确等特点。在现代电子学的各个领域,常常需要高精度且频率可方便调节的信号源。尤其是随着通信事业的发展,频道的分布日趋密集,要求有高精度、高稳定度的通信频率。用常规的信号发生器无法满足要求。为解决这个难题,人们提出频率合成器的方案。频率合成是指对一个高精度高稳定度的标准信号频率,经过一系列运算,产生有相同稳定度和精确度的大量离散频率的技术。在数字逻辑电路设计中,分频器是一种基本电路。通常用来对某个给定频率进行分频,得到所需的频率。小数分频原理如下:假设输入时钟的频率为fx,输出频率为fo,则:其中其中m是

的整数部分,a是

的小数部分。

为了实现k

分频,可以对

进行p次m分频和q次m+l分频,并且满足下面关系:

整理后得:

38.88M得

2.048M时

fo=38.88MHz,

fx=2.048MHz代

m=

18

p=1,

q=63,

38.88MHz进行1次18分频和63次19分频就能得到2.048MHz时钟。

参阅图1,常用的小数分频是根据上述小数分频原理,将频率为

fo的时钟p次m分频、q次m+1分频后间插得到需要的小数分频时钟,

其频率为fx。小数值a以2或10进制数写入寄存器F,经基准振荡器输

出基准频率fx的作用下,寄存器F的存数与相位累加器的存数在十进

制全加器中累加。

从小数分频的基本原理可见,当小数分频器进行m次分频时,相

位产生超前,当超前相位累加到2

时,由m+1次分频进行相位滞后补

偿。因此,形成的输出脉冲可能引起的最大时偏为一个基准时钟

因此相位噪声较大,在一些对频率分辩率要求较高的技术领域难以适

应。

在原有小数分频频率合成器基础上做了改进,形成了一种新的脉

冲分布更均匀,与要求脉冲最大时偏更小的分频电路。其基本结构如

图2所示:

现在来分析一下这种电路的基本原理。为不失一般性,令

其中

为系统时钟,m为小数分频的整数部分,a为小数部分,

为实际产生的分频脉冲周期。这样,实际的脉冲

与要求的脉冲时间偏差有两种可能:

。同

基本小数分频一样,首先将碎片a[如(1)式]存入寄存器F中,与相

位累加器中的基数在十进制全加器中相加,并将相加的结果作为相位

累加器的基数,如果相加的结果大于0.5,比较器输出1,在输出1的

上升沿,删除一个

,相当于做N+1分频;其它情况都做N分频。电

路的有效性同基本F-NPLL一样,利用M个

与一个

或一个与M个(0.5<a<1)组合的均值来实现小数分频。在基本F-

NPLL电路中将在负偏差接近

时用一个

来消除。实际上,

的组合可以实现偏差小于等于0.5

的最优效果。

分两种情况讨论如下:

(1)当

时,如图2设由M个

与一个

组合产生的

最优时偏可表示为:

联立求解式(2)式、(3)式得:

由于

,式(4)中M是存在的。

(2)当

,如图2设由一个

与M个

组合产生的最

优时偏表示为:

解(5)式得:

由于(0.5<a<1)即0<1-a

<0.5,故(6)式中M也是存在的。可

见,限定最大时偏小于等于0.5

是可行的。

考虑到小数分频通过两种近似的脉冲组合来实现,当以m分频输

出一个脉冲时,产生的超前相位差可表示为:

以m+1分频输出一个脉冲时,产生的滞后相位差可表示为:

则m分频和m+1分频按

组合时可以在一定

小数分频频率合成器

改进后的小数分频频率合成器

图1

小数分频频率合成器原理图

改进后的小数分频频率合成器原理图

2.1

改进后的小数分频频率合成器原理

2.2

改进后的小数分频频率合成器相位杂散分析

(转147页)

n

n

m

k

k

m

q

p

?

?

?

?

?

?

11

0.50??a

1472008年第9期

WhileNotmRecordset_main.EOF

j=j+1

sql1="selectcount(jh),sum(sjjs)fromp_cx_tjwhereqk='"&

mRecordset_main!qk&"'"

mRecordset1.Opensql1,mobjCnn

.row=j

ifIsNull(mRecordset1.Fields(0).Value)Then

.Data=0

Else

.Data=mRecordset1.Fields(0).Value'行数据值(总记录个数)

EndIf

.RowLabel=j

ifIsNull(mRecordset_main!qk)Then

Mmsgbox=Mmsgbox&""&j&""&""

Else

Mmsgbox=Mmsgbox&""&j&""&mRecordset_main!qk'行显示的内

容(区块)

EndIf

IfNotIsNull(mRecordset1.Fields(0).Value)Then

k=k+mRecordset1.Fields(0).Value

EndIf

IfNotIsNull(mRecordset1.Fields(1).Value)Then

js=js+mRecordset1.Fields(1).Value

EndIf

mRecordset1.Close

mRecordset_main.MoveNext

Wend

EndWith

PrivateSubHScroll1_Change()

DimjAsLong,isnAsIntegerisn=HScroll1.Max

j=HScroll1.Value+MSChartTJ.Left

MSChartTJ.Left=MSChartTJ.Left-j

EndSub

PrivateSubHScroll1_Scroll()

MSChartTJ.Left=0-HScroll1.Value

EndSub

PrivateSubCommandJKS_Click()

MsgBoxMmsgbox,vbOKOnly,"区块与编号的对比"

EndSub

4.2将MSChart控件与Hscroll控件绑定具体代码4.3用CommandButton按钮,显示编码所表示的区块即“区块与编码

的对照表”

在给MSChart控件赋值时,已经将Mmsgbox做成一个字符串,并

且是Public类型的。具体代码如下:

MSChart控件是一个比较复杂的技术。对VB中的控件而言,除了

前面自身内置的几个属性,一些功能也可以借助其它控件来辅助实

现。另外,在具体的编程过程中,可能还要根据自己具体的要求来做

某些此控件本身无法完成的事情。该方法已经成功应用于胜利企业版

IDDS软件中,取得了良好的效果。5结论

参考文献

[1]StevenHolzner.VisualBasic6技术内幕[M].北京:机械工业出版

社,1999

[2]丁爱萍.VisualBasic程序设计.西安:西安电子科技大学出版

社,2004-06-01

[3]高春艳等.VisualBasic开发技术大全.北京:人民邮电出版社,

2005.4(收稿日期:2008・07・09)网络纵横

(接119页)周期内(设其最小周期为N)实现相位与要求的脉冲完

全吻合。改进后的小数分频第K+1次脉冲相位差可以表示为:

由(2)式 ̄(6)式的推导可知,改进的小数分频器的最大时偏

小于等于0.5,即相位差始终满足,相位杂散获得很大

程度的减小。

小数分频在不改变降低基准频率的情况下提高频率分辨力,解决

了转换速率和频率分辨率之间的矛盾,改进的小数分频进一步减小了

相位杂散,提高了小数分频的瞬时脉冲频率的精度。本文作者创新

点:采用以比较器和常数寄存器为主的电路结构改进的小数分频技术将频率合成器的输出脉冲可能引起的最大时偏从原有F-NPLL结构的

一个基准时钟降低到0.5。这种电路具有结构简单、易于实现

和集成、非常适合ASIC设计等优点。

3结论参考文献

作者简介[1]陈风波,冒燕,李海鸿.基于FPGA的直接数字频率合成器的设

计[J].微计算机信息,2006,22-2:190

[2]刘亚海,林争辉.基于FPGA的小数分频器的实现[J].现代电子技

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学出版社,2002

[5]高玉良,李延辉等.现代频率合成与控制技术.北京:航空工业

出版社[M].2002,9

张横云(1974-),女,硕士,讲师,研究方向:计算

机网络、软件工程。

(收稿日期:2008・06・13)(接116页)分析产量下降的主要原因应是洗井造成地层污染。由于距注水井只有150m左右,不宜实施水力压裂,2007年12月46日对该井实施冲击波解堵,在机采参数不变的情况下,产液量达17.4m/d,产油量从0.7t/d上升到3.7t/d。该井自2007年12月实施冲击波解堵以后,没有采取其它措施,已累计增油2199.7t。从2005年6月至2007年6月底,在GJ、MTZ、WZT等3个油田实施冲击波解堵,共15井次,其中Z2-22、G6-55两口井基本无效,有效12井次,措施有效率80%,累计增产原油14144.1t。效益统计显示:投入约70.5万元,创效益约为2292.76万元,投入产出比约为1:32.5,经济效益十分显著。(1)冲击波解堵工艺现场应用成功率较高,为物理法解堵的首选工艺。(2)选井过程中,要找出油井产量下降的主要原因,如属于钻井泥浆污染、油井结垢、洗井堵塞等机械杂质及有机垢造成的油水井近井地带污染,其实施效果更好。(3)选层过程中,要分析和考虑储集层的孔/渗/饱特性,同时要充分利用油水井的动态监测资料,科学合理的选井选层,做到有的放矢。(4)冲击波解堵施工周期短、费用低,对储层没有污染,经济效益显著。(5)对于地层亏空严重的井,应首先完善注采对应关系,使地层压力水平恢复到0.55以上再应用冲击波解堵,会取得更好的增产效果。34经济效益分析5结论与认识作者简介尹萍(1972-),工程师,1995年毕业于石油大学(华东)采油专业,现从事采油工程科研、生产工作。(收稿日期:2008・06・24)