利用FPGA進(jìn)行高速可變周期脈沖發(fā)生器設(shè)計(jì)

　　1 要求改變脈沖周期和輸出脈沖個數(shù)的脈沖輸出電路模塊在許多工業(yè)領(lǐng)域都有運(yùn)用。采用數(shù)字器件設(shè)計(jì)周期和輸出個數(shù)可調(diào)節(jié)的脈沖發(fā)生模塊是方便可行的。為了使之具有高速、靈活的優(yōu)點(diǎn)，本文采用atelra公司的可編程芯片F(xiàn)PGA設(shè)計(jì)了一款周期和輸出個數(shù)可變的脈沖發(fā)生器。經(jīng)過板級調(diào)試獲得良好的運(yùn)行效果。

　　2 總體設(shè)計(jì)思路

　　脈沖的周期由高電平持續(xù)時間與低電平持續(xù)時間共同構(gòu)成，為了改變周期，采用兩個計(jì)數(shù)器來分別控制高電平持續(xù)時間和低電平持續(xù)時間。計(jì)數(shù)器采用可并行加載初始值的n位減法計(jì)數(shù)器。設(shè)定：當(dāng)要求的高電平時間以初始值加載到第一個減法器中后，減法器開始減計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)到零時自動停止，同時啟動第二個記錄低電平持續(xù)時間的計(jì)數(shù)器計(jì)時。當(dāng)?shù)诙€減法計(jì)數(shù)器也減計(jì)到零時，計(jì)數(shù)器自動停止。這樣就完成一個脈沖的輸出，而這個脈沖的周期控制完全可以在計(jì)數(shù)器的初始值中進(jìn)行有效的設(shè)定.以達(dá)到脈沖周期可調(diào)的目的。為了控制脈沖個數(shù)的輸出，在脈沖輸出通道上設(shè)計(jì)一個數(shù)量控制計(jì)數(shù)器，對脈沖個數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)到要求輸出的個數(shù)時.完成輸出并給出一個done信號作為該模塊工作完成的標(biāo)志信號。封裝好的脈沖發(fā)生器設(shè)計(jì) 框圖如圖l所示。

　　引腳信號說明：

　　start信號：啟動信號。

　　reset，信號：系統(tǒng)復(fù)位信號。

　　clock信號：系統(tǒng)時鐘信號。

　　high信號：高電平持續(xù)時間初值。

　　low信號：低電平持續(xù)時間初值。

　　num信號：個數(shù)控制寄存器初始值。

　　output信號：脈沖輸出信號。初始化時為低。

　　done信號：脈沖輸出完的標(biāo)志信號。

　　3 高低電平計(jì)時器設(shè)計(jì)

　　3.1 設(shè)計(jì)方法

　　為了產(chǎn)生所需要時間的高電平，可以利用一個可預(yù)置數(shù)的減法計(jì)數(shù)器來達(dá)到目的，計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)分為兩個部分，一部分是可預(yù)置數(shù)的自控制減法計(jì)數(shù)器：另一部分是減法計(jì)數(shù)器工作完成后的檢測系統(tǒng)，檢測到計(jì)數(shù)器工作完成后輸出一個時鐘周期寬的脈沖作為該計(jì)數(shù)器工作完成信號，并可作為下一個計(jì)數(shù)器工作的啟動信號。原理框圖如圖2所示。

　　3.2 工作原理

　　首先.外部的復(fù)位信號reset給出一個時鐘周期寬的脈沖，復(fù)位內(nèi)部各個信號及觸發(fā)器。

　　然后，在下一個有效時鐘時刻，外部start信號給出一個時鐘周期寬度的脈沖，用來啟動計(jì)數(shù)器的工作。在設(shè)計(jì)中，當(dāng)start信號有效時(設(shè)計(jì)為高有效)，外部數(shù)據(jù)high加載到q，當(dāng)q不為零時，輸出信號pulse將跳變?yōu)楦唠娖剑?dāng)q減到零的時候，pulse信號再跳變回低電平。這個脈沖信號的后沿將被后面的由兩個d觸發(fā)器構(gòu)成的檢測單元捕獲，并在pulse信號的下降沿后產(chǎn)生一個時鐘周期寬的脈沖，定義為done信號，表示該信號完成輸出。

　　低電平計(jì)時器的設(shè)計(jì)與高電平計(jì)時器完全一樣。

　　3.3 時序仿真

　　在quartusⅱ4.1開發(fā)平臺上模擬該模塊兩個輸出信號，時序仿真如圖3所示。

　　從圖中可以看出，done信號在pulse信號輸出完成后輸出一個時鐘周期寬度。把這個完成信號done加到下一級類似的減法計(jì)數(shù)器的start信號上。將會啟動下一級計(jì)數(shù)器的工作。如果將下一級的完成信號done加載給本級的start信號。將會重啟一個脈沖的生成。如此將會自動循環(huán)以達(dá)到不間斷輸出一定周期脈沖的目的。

　　4 數(shù)量控制計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)

　　4.1 設(shè)計(jì)方法

　　數(shù)量控制計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)與高低電平計(jì)數(shù)器類似.不同之處在于，減法計(jì)數(shù)器的時鐘輸入端接脈沖的輸出信號，當(dāng)要求輸出脈沖的個數(shù)到達(dá)時，輸出一個門控信號door，后面的兩個d觸發(fā)器仍然用來捕獲門控信號door的后沿。一旦輸出個數(shù)到達(dá)，done信號立即輸出一個時鐘周期寬度的脈沖作為標(biāo)志。具體設(shè)計(jì)框圖如圖4所示。

　　4.2 時序仿真

　　在quartusⅱ4.1開發(fā)平臺上軟仿真，把脈沖發(fā)生器中產(chǎn)生的每個脈沖的start信號作為數(shù)量控制器的輸入信號，仿真結(jié)果如圖5所示。

　　每次輸出任務(wù)完成后。由總體模塊輸出一個ov信號標(biāo)志該批次任務(wù)結(jié)束。ov信號可再次加載到總的reset信號上，即該批次輸出完成可復(fù)位進(jìn)入下一批次任務(wù)的輸出。圖5中的door信號出現(xiàn)了很窄的毛刺，這是由于內(nèi)部計(jì)數(shù)器的翻轉(zhuǎn)不同步造成的。加同步電路可以消除，但會影響電路的工作頻率。由于毛刺很窄，對整個電路工作無任何影響。所以，該模塊設(shè)計(jì)中并未處理。

　　5 內(nèi)部信號連接及工作方式

　　根據(jù)各個模塊的功能和邏輯關(guān)系，由高電平計(jì)時器、低電平計(jì)時器和數(shù)量控制計(jì)數(shù)器可以搭建整個周期脈沖發(fā)生器.其內(nèi)部電路按照圖6的方式連接。

　　首先，在時鐘信號上升沿給出一個時鐘周期寬度的reset信號以復(fù)位整個電路的觸發(fā)器和各個輸出信號。當(dāng)一個啟動信號start在時鐘的上升沿被檢測到時，高電平開始計(jì)時，計(jì)時長度等于high數(shù)值與時鐘周期之積。當(dāng)計(jì)時到達(dá)時，高電平計(jì)時器停止工作，高電平計(jì)時器輸出一個完成信號，該信號接在低電平計(jì)時器的start信號腳上，以啟動低電平計(jì)時器，低電平計(jì)時器計(jì)時完成時，低電平計(jì)時器停止工作，并輸出一個完成信號，該信號通過或門接在高電平計(jì)時器的start信號腳，再次啟動高電平計(jì)時器，開始第二個脈沖高電平的輸出。由于低電平計(jì)時器的完成信號也連接在數(shù)量控制計(jì)數(shù)器的start引腳上.所以，與此同時，數(shù)量控制計(jì)數(shù)器開始對其輸入脈沖s_input進(jìn)行數(shù)量監(jiān)測。在脈沖輸出數(shù)量未達(dá)到預(yù)定個數(shù)(數(shù)量控制計(jì)數(shù)器中的初始值)時，門控信號door一直輸出"高"，以允許脈沖通過。一旦脈沖輸出的數(shù)量達(dá)到預(yù)定個數(shù)時，門控信號door輸出變?yōu)?quot;低"，關(guān)閉輸出通道，并輸出一個任務(wù)完成的標(biāo)志信號done。done又通過或門連接在全局復(fù)位信號reset上，所以，系統(tǒng)完成后即可復(fù)位到原狀以等待下一次啟動信號來臨。

　　周期脈沖發(fā)生器模塊整體時序仿真如圖7所示。

　　圖7模擬了兩路脈沖的輸出，第一路輸出兩個脈沖，第二路輸出一個脈沖，當(dāng)兩路脈沖都輸出完成時，系統(tǒng)恢復(fù)到初始狀態(tài)。而當(dāng)start信號再次給出一個啟動脈沖后，將再執(zhí)行一次任務(wù)。

　　6 結(jié)束語

　　從模擬結(jié)果看出，本文給出的設(shè) 計(jì)完全可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。由于FPGA的運(yùn)行速度最高可以達(dá)到100 mhz量級，輸出的脈沖調(diào)節(jié)步長和最小寬度都可以到ns量級。在此基礎(chǔ)上，筆者設(shè)計(jì)了一個多路可調(diào)脈沖周期的時序電路，并運(yùn)用在團(tuán)簇粒子的核物理實(shí)驗(yàn)中。收到滿意效果。