Mobile menu

适用于混合信号设计的时钟分频电路与元件

已创建：April 4, 2026
已更新：September 14, 2026

At a Glance

有多种时钟分频电路，但 Renesas 的 GreenPAK 是唯一能够在混合信号系统中将时钟分频作为处理流程一部分来实现的产品。

Go Deeper with AI:

时钟分频会因多种原因出现在混合信号系统中。例如，一个振荡器或参考源通常需要同时服务于多个定时域，而这些定时域对带宽、相位噪声容限以及边沿定位都有不同要求。微控制器可能需要低速定时输入，ADC 可能需要干净的采样时钟，而控制环路可能需要周期性选通或比较参考。是否采用时钟分频，取决于所需占空比、附加抖动、边沿对称性、布线约束，甚至还取决于会向附近模拟电路注入多少数字开关噪声。

下面的示例涵盖了实现时钟分频时常见的电路与器件选择。其中一些是简单的板级逻辑电路，另一些则嵌入在可编程逻辑或定时器外设中，尽管它们也可以由分立元件搭建而成。对于许多涉及信号处理的嵌入式应用，或者需要对模拟信号施加逻辑条件的场景，采用数字逻辑实现通常最为合理。

常见的时钟分频电路

使用 D 触发器实现二分频

最简洁的分频电路仍然是由 D 触发器构成的二分频翻转级。其实现方式很简单，如下所示。在满足时序要求的前提下，它可以产生相对于输入具有确定性边沿位置的 50% 占空比输出。对于板级混合信号设计，当目标是以最小的逻辑级深生成本地半速时钟，并获得可预测的行为时，这是一个很有优势的方案。

当源时钟稳定时，或者输入来自一个经过阈值处理的模拟信号（借助比较器）时，它会产生方波输出。该电路最适用于分频比正好为 2，或为较小的 2 的幂（需级联）的情况，并且要求输出保持良好波形。它常用于串行器控制逻辑、本地状态机或数字接口定时之前，此时半速参考已经足够。需要注意的是，级联实现 2 的幂分频会使传播延迟逐级累积，在高时钟频率下可能影响与其他信号之间的偏斜。

可用的典型器件包括：

74HC74
74LVC1G74
CPLD、FPGA 或混合信号逻辑器件中的内部触发器资源

使用 DFF 即可实现简单时钟分频。通过级联可实现按 2 的幂分频。

基于计数器的整数分频

当所需分频比大于 2 时，标准实现方式是使用同步计数器，直接利用某一位输出，或者利用译码后的终端计数来复位计数器。二进制计数器的某一位输出可以在几乎不增加额外电路的情况下，干净地实现四分频、八分频或十六分频。对于三分频、五分频或十分频这类非 2 的幂分频，通常需要进行计数译码，并在结果必须表现得像真正时钟时加入输出寄存器。

对于混合信号设计而言，计数器方案很有吸引力，因为它结构紧凑，且易于在逻辑电路、可编程器件以及某些定时器外设中实现。其缺点在于，当把译码脉冲当作分布式时钟来使用时问题就会显现。终端计数输出通常是窄脉冲，除非再增加额外逻辑来重构方波输出。当分频信号要驱动转换器、接口时钟，或任何对占空比敏感的电路时，这种区别就非常重要。

使用比较器实现基于计数器的时钟分频。

为低速接口生成十分频时钟就是一个典型示例。单独使用十进制计数器就能得到正确的分频比，但输出格式决定了结果是否真正可用。对于周期性选通，终端计数脉冲可能已经足够；但如果下游器件需要的是方波定时输入，就应增加输出寄存器或翻转级，并验证最终得到的占空比。

带占空比校正的奇数分频器

奇数分频往往是简单设计开始变复杂的地方。直接从计数器译码取得的三分频输出通常占空比较低。如果下游器件期望更接近 50% 的占空比，则可以采用其他方法，例如：

使用小型同步状态机，在交替的计数间隔后翻转输出
同时利用源时钟的上升沿和下降沿构建校正后的波形
先在更高的内部时钟速率下运行，再用计数器或寄存器对输出重新定时

一个实用的三分频实现方式可能是对三个输入边沿进行计数，并使用第二个寄存器重构波形，使其高电平持续 1.5 个周期、低电平持续 1.5 个周期。这在ASIC/FPGA时钟生成逻辑中很常见，但在简单的板级逻辑中较少见，因为它会增加时序复杂度。

小数输出分频 PLL

锁相环（PLL）即使在输出仍与输入保持相位对齐的情况下，也可以充当分频器。当分频后的时钟必须相对于源时钟具备受控相位和低偏斜时，这是最有用的方法之一。PLL 可以在分频的同时维持与参考信号之间定义明确的关系，而且许多器件支持同时倍频和分频，因此可以从一个源生成多个相关频率。

这类方案适用于时钟质量最重要的设计。它比简单的逻辑分频器更复杂，但优势在于可控的占空比、多个输出之间更低的偏斜，以及与时钟树布线更好的集成性。它还可以减少这样一种冲动：把临时拼凑的计数器逻辑放在噪声较大的数字开关区域旁边，从而构建出一条对模拟电路敏感的定时路径。

作为分频器的 MCU 或 FPGA 时钟模块

在很多系统中，时钟分频器其实就是一个定时器外设。在 MCU 的嵌入式应用中，可以生成任意时钟，而无需手动用触发器搭建分频电路。在 FPGA 中，正确的时钟分频位置通常是在专用时钟资源内部，而不是通用逻辑中；不过也可以在触发器中实现，将其作为某个处理流程或算法的一部分，而不是依赖芯片中的集成时钟资源。

特性	MCU 实现	FPGA 实现
主要资源	定时器/计数器外设	时钟管理器（PLL/MMCM）
配置方式	预分频器和周期寄存器	专用时钟模块
输出信号	供外设使用的单路输出	低偏斜时钟树布线
最佳使用场景	低速 PWM 或外设	高速同步逻辑

这种方式可生成由主系统时钟派生出的方波输出。它很方便，但并不总是等同于专用的低偏斜时钟树。对于低速外设、PWM 生成或外部定时信号来说，这通常已经足够。当分频结果必须在可编程逻辑内部表现得像真正的时钟，而不仅仅是一个较慢的使能脉冲时，这就是正确的选择。

用于时钟分频的 GreenPAK 资源

Renesas GreenPAK 器件通过集成振荡器、CNT/DLY 宏单元、D 触发器和 LUT，并结合可编程模拟接口，弥合了固定功能逻辑与大型可编程平台之间的差距。这使得这些混合信号处理器能够实现完全可编程，并可在线动态重配置，适用于本地控制功能，例如启动定时、去抖和脉冲资格判定。

SLG46537V 是 GreenPAK 产品系列中的一个示例，可在实现时钟分频的同时，支持大量标准逻辑和模拟处理功能。下面的框图展示了可用的模拟特性，包括用于处理模拟信号的比较器，以及用于对转换后的模拟输入施加逻辑条件的内部宏单元。

SLG46537V 框图

Renesas GreenPAK 的开发工具使设计人员能够开发完全定制的数字、模拟或混合信号 IC。这些可编程混合信号处理器能够整合时钟与信号管理电路中的功能，从而实现更小巧、更高效的系统。要了解更多信息，请查看 GreenPAK 器件和参考示例。

无论您需要构建可靠的电力电子系统还是先进的数字系统，都可以利用 Altium 提供的完整 PCB 设计功能和世界一流 CAD 工具来实现您的 GreenPAK 解决方案。Altium 提供全球领先的电子产品开发平台，具备业内最佳的 PCB 设计工具，以及面向高级设计团队的跨学科协作功能。立即联系 Altium 专家！