FPGA的多路可控脈沖延遲系統(tǒng)

摘要 采用數(shù)字方法和模擬方法設(shè)計(jì)了一種最大分辨率為0.15 ns級(jí)的多路脈沖延遲系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)連續(xù)脈沖信號(hào)的高分辨率可控延遲；采用Flash FPGA克服了現(xiàn)有SRAM FPGA系統(tǒng)掉電后程序丟失的缺點(diǎn)，提高了系統(tǒng)反應(yīng)速度。本系統(tǒng)適用于需要將輸入脈沖信號(hào)進(jìn)行精確延遲來產(chǎn)生測(cè)試或控制用的連續(xù)脈沖信號(hào)場(chǎng)合，具有很強(qiáng)的適用性。

關(guān)鍵詞  數(shù)字方法  模擬方法  分辨率  脈沖延遲  ProASIC3

　　在科學(xué)研究、通信和一些自動(dòng)控制中，經(jīng)常需要精確定時(shí)的連續(xù)脈沖信號(hào)，用于產(chǎn)生測(cè)試信號(hào)或控制用的時(shí)序。脈沖延遲的基本方法可分為數(shù)字方法和模擬方法。數(shù)字方法采用計(jì)數(shù)器或存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)延遲控制，其缺點(diǎn)是無法滿足高分辨率的要求；模擬方法采用專用的脈沖延遲器件實(shí)現(xiàn)延遲控制，其缺點(diǎn)是抗干擾效果不好，容易產(chǎn)生抖動(dòng)和電壓不穩(wěn)等問題。于是我們提出構(gòu)建數(shù)模結(jié)合的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)連續(xù)脈沖信號(hào)的高分辨率延遲。

1  系統(tǒng)功能

　　本系統(tǒng)擬定對(duì)頻率范圍在1~50 kHz左右的TTL電平脈沖序列進(jìn)行多路延遲處理。各路延遲時(shí)間分別由單片機(jī)動(dòng)態(tài)設(shè)定，最大延遲時(shí)間為1 ms，最大分辨率為0.15 ns級(jí)。

2  方案選擇

　　因?yàn)樗幚淼拿}沖序列的脈沖間隔時(shí)間大于脈沖延遲時(shí)間，不必考慮多脈沖存儲(chǔ)和再生的問題，所以數(shù)字方法中選用計(jì)數(shù)器法，完成延遲量高位部分控制。現(xiàn)存的計(jì)數(shù)器系統(tǒng)方案大多是基于SRAM的FPGA，其缺點(diǎn)是SRAM中的程序掉電后易丟失，上電后要借助于外圍的單片機(jī)重新向SRAM中寫程序，影響了系統(tǒng)的反應(yīng)速度。為了解決這一問題，系統(tǒng)選用Actel公司的Flash FPGA，掉電后程序不易丟失，提高了系統(tǒng)的反應(yīng)速度。另外，F(xiàn)PGA中的PLL模塊能對(duì)外部時(shí)鐘源進(jìn)行分頻、倍頻，給計(jì)數(shù)器模塊提供觸發(fā)和計(jì)數(shù)脈沖。這些大大減少了芯片數(shù)目，提高了集成度，節(jié)省了系統(tǒng)面積和成本。然后，用VHDL語言對(duì)FPGA進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)硬件電路軟件化設(shè)計(jì)，控制各路時(shí)序，完成用數(shù)字方法對(duì)脈沖信號(hào)的延遲控制，此時(shí)分辨率可以達(dá)到10 ns級(jí)。

　　用模擬方法進(jìn)行延遲低位部分控制時(shí)，選用了DS1020延遲線芯片。只要在電路板上搭建多組以DS1020延遲線芯片為主的電路，就可以同時(shí)輸出多路脈沖序列。此時(shí)最大延遲分辨率可以達(dá)到0.15 ns級(jí)。本方案中各路計(jì)數(shù)器模塊和延遲線的延遲時(shí)間均可由MCU編程來動(dòng)態(tài)調(diào)整，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1  系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3  方案實(shí)現(xiàn)

　　系統(tǒng)選用Actel公司的ProASIC3 A3P250芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)字部分。系統(tǒng)時(shí)鐘由外部50 MHz晶振提供，時(shí)鐘引腳連接到FPGA的CCC全局時(shí)鐘引腳上；頻率可以通過FPGA內(nèi)部的PLL實(shí)現(xiàn)倍頻和分頻，設(shè)定需要的頻率。因?yàn)樵诙嗦访}沖延遲方案中電路的同步是保證控制準(zhǔn)確的前提，所以應(yīng)該首先為電路提供一個(gè)基準(zhǔn)脈沖。通過PLL將50 MHz的頻率倍頻，產(chǎn)生一個(gè)100 MHz的低頻觸發(fā)脈沖，從而觸發(fā)各路計(jì)數(shù)模塊開始計(jì)數(shù)。同時(shí)，將100 MHz通過另一計(jì)數(shù)器模塊得到1 kHz的觸發(fā)脈沖，此時(shí)可以根據(jù)需要延遲的范圍通過MCU編程來設(shè)定各計(jì)數(shù)器的初值，產(chǎn)生一個(gè)粗延遲的脈沖信號(hào)，實(shí)現(xiàn)以10  ns為步進(jìn)的延遲，延遲分辨率為10 ns級(jí)。FPGA內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2  FPGA內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

　　FPGA將粗延遲脈沖信號(hào)送給多路延遲線芯片DS1020進(jìn)行低位延遲。實(shí)際電路中DS1020的8個(gè)并行數(shù)據(jù)引腳（P0～P7）與MCU相連，MCU通過軟件程序?qū)⒀舆t時(shí)間寫入DS1020，并發(fā)送指令給EN端口，通知DS1020實(shí)現(xiàn)低位延時(shí)。通過與MCU相連的8位數(shù)據(jù)腳實(shí)現(xiàn)10 ns以內(nèi)的延時(shí)，最后輸出腳OUTPUT將脈沖信號(hào)送至D/A轉(zhuǎn)換器，再經(jīng)放大器放大后得到總延遲后的輸出信號(hào)。多路延遲線結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3  多路延遲線結(jié)構(gòu)框圖

4  系統(tǒng)仿真

　　下面給出了核心部分的RTL圖及QuartusII時(shí)序仿真波形。PLL模塊的RTL圖如圖4所示。

　　計(jì)數(shù)模塊2的RTL圖如圖5所示。該模塊的輸入clk應(yīng)連接到頻率為100 MHz的時(shí)鐘信號(hào)，作為計(jì)數(shù)脈沖。 en是使能信號(hào)，應(yīng)連接到經(jīng)過計(jì)數(shù)模塊1分頻后得到的1 kHz的時(shí)鐘信號(hào)上。假設(shè)en信號(hào)到來，該信號(hào)為高電平時(shí)，計(jì)數(shù)器temp開始計(jì)數(shù)，到達(dá)設(shè)定的計(jì)數(shù)時(shí)間后輸出高電平，否則為低電平。經(jīng)過計(jì)數(shù)模塊2后系統(tǒng)完成粗延遲，此時(shí)延遲分辨率為10 ns級(jí)。

圖4  PLL模塊RTL圖

圖5  計(jì)數(shù)模塊2的RTL圖

　　PLL模塊實(shí)現(xiàn)倍頻的功能。其中，輸入clk0應(yīng)連接頻率為50 MHz的時(shí)鐘信號(hào)。輸出信號(hào)c0為100 MHz，分別送給計(jì)數(shù)模塊1和2實(shí)現(xiàn)分頻和計(jì)數(shù)脈沖的作用。其仿真波形如圖6所示。

圖6  PLL模塊仿真波形

　　計(jì)數(shù)模塊1和2的延遲時(shí)間均可由單片機(jī)動(dòng)態(tài)寫入，本方針波形寫入的延遲時(shí)間為300 ns。延遲后的波形如圖7所示。

結(jié)語

　　本設(shè)計(jì)不同于現(xiàn)有的延遲電路，它將數(shù)字方法圖7延遲后計(jì)數(shù)模塊2輸出波形和模擬方法相結(jié)合，對(duì)多路連續(xù)脈沖信號(hào)進(jìn)行大范圍高分辨率的動(dòng)態(tài)延遲，將分辨率提高到了0.15 ns級(jí)。而且，本系統(tǒng)用Flash FPGA替代現(xiàn)有系統(tǒng)的SRAM FPGA，從而大大提高了系統(tǒng)集成度，降低了成本。

參考文獻(xiàn)

[1]  侯伯亨,顧新.VHDL硬件描述語言與數(shù)字邏輯電路設(shè)計(jì)[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,1999.
[2]  劉豫晉，廖佳，楚然.連續(xù)脈沖信號(hào)延遲線的實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2002,28（9）.
[3]  高輝，陳文通,王金祥,等.可編程器件在納秒級(jí)多通道數(shù)字延遲/脈沖發(fā)生器中的應(yīng)用[J].分析儀器，2002(3).
[4]  王道憲.CPLD/FPGA可編程邏輯器件應(yīng)用與開發(fā)[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2004.
[5]  Analog Device Inc. Digitally Programmable Delay Generator AD9501,2003.

程璐（碩士研究生）、郭文成（副教授），主要研究方向?yàn)槲C(jī)控制系統(tǒng)。