FPGA的多路可控脈沖延遲系統(tǒng)-基礎電子

精品文檔-下載后可編輯FPGA的多路可控脈沖延遲系統(tǒng)-基礎電子摘要采用數(shù)字方法和模擬方法設計了一種分辨率為0.15ns級的多路脈沖延遲系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對連續(xù)脈沖信號的高分辨率可控延遲；采用FlashFPGA克服了現(xiàn)有SRAMFPGA系統(tǒng)掉電后程序丟失的缺點，提高了系統(tǒng)反應速度。本系統(tǒng)適用于需要將輸入脈沖信號進行延遲來產生測試或控制用的連續(xù)脈沖信號場合，具有很強的適用性。

在科學研究、通信和一些自動控制中，經常需要定時的連續(xù)脈沖信號，用于產生測試信號或控制用的時序。脈沖延遲的基本方法可分為數(shù)字方法和模擬方法。數(shù)字方法采用計數(shù)器或存儲器實現(xiàn)延遲控制，其缺點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現(xiàn)延遲控制，其缺點是抗干擾效果不好，容易產生抖動和電壓不穩(wěn)等問題。于是我們提出構建數(shù)模結合的系統(tǒng)，實現(xiàn)連續(xù)脈沖信號的高分辨率延遲。

1系統(tǒng)功能

本系統(tǒng)擬定對頻率范圍在1~50kHz左右的TTL電平脈沖序列進行多路延遲處理。各路延遲時間分別由單片機動態(tài)設定，延遲時間為1ms，分辨率為0.15ns級。

2方案選擇

因為所要處理的脈沖序列的脈沖間隔時間大于脈沖延遲時間，不必考慮多脈沖存儲和再生的問題，所以數(shù)字方法中選用計數(shù)器法，完成延遲量高位部分控制?，F(xiàn)存的計數(shù)器系統(tǒng)方案大多是基于SRAM的FPGA，其缺點是SRAM中的程序掉電后易丟失，上電后要借助于外圍的單片機重新向SRAM中寫程序，影響了系統(tǒng)的反應速度。為了解決這一問題，系統(tǒng)選用Actel公司的FlashFPGA，掉電后程序不易丟失，提高了系統(tǒng)的反應速度。另外，F(xiàn)PGA中的PLL模塊能對外部時鐘源進行分頻、倍頻，給計數(shù)器模塊提供觸發(fā)和計數(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FPGA進行編程，實現(xiàn)硬件電路軟件化設計，控制各路時序，完成用數(shù)字方法對脈沖信號的延遲控制，此時分辨率可以達到10ns級。

用模擬方法進行延遲低位部分控制時，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，就可以同時輸出多路脈沖序列。此時延遲分辨率可以達到0.15ns級。本方案中各路計數(shù)器模塊和延遲線的延遲時間均可由MCU編程來動態(tài)調整，系統(tǒng)結構框圖如圖1所示。

圖1系統(tǒng)結構框圖

3方案實現(xiàn)

系統(tǒng)選用Actel公司的ProASIC3A3P250芯片實現(xiàn)數(shù)字部分。系統(tǒng)時鐘由外部50MHz晶振提供，時鐘引腳連接到FPGA的CCC全局時鐘引腳上；頻率可以通過FPGA內部的PLL實現(xiàn)倍頻和分頻，設定需要的頻率。因為在多路脈沖延遲方案中電路的同步是保證控制準確的前提，所以應該首先為電路提供一個基準脈沖。通過PLL將50MHz的頻率倍頻，產生一個100MHz的低頻觸發(fā)脈沖，從而觸發(fā)各路計數(shù)模塊開始計數(shù)。同時，將100MHz通過另一計數(shù)器模塊得到1kHz的觸發(fā)脈沖，此時可以根據(jù)需要延遲的范圍通過MCU編程來設定各計數(shù)器的初值，產生一個粗延遲的脈沖信號，實現(xiàn)以10ns為步進的延遲，延遲分辨率為10ns級。FPGA內部結構如圖2所示。

圖2FPGA內部結構框圖

FPGA將粗延遲脈沖信號送給多路延遲線芯片DS1020進行低位延遲。實際電路中DS1020的8個并行數(shù)據(jù)引腳（P0～P7）與MCU相連，MCU通過軟件程序將延遲時間寫入DS1020，并發(fā)送指令給EN端口，通知DS1020實現(xiàn)低位延時。通過與MCU相連的8位數(shù)據(jù)腳實現(xiàn)10ns以內的延時，輸出腳OUTPUT將脈沖信號送至D/A轉換器，再經放大器放大后得到總延遲后的輸出信號。多路延遲線結構框圖如圖3所示。

圖3多路延遲線結構框圖

4系統(tǒng)仿真

下面給出了部分的RTL圖及QuartusII時序仿真波形。PLL模塊的RTL圖如圖4所示。

計數(shù)模塊2的RTL圖如圖5所示。該模塊的輸入clk應連接到頻率為100MHz的時鐘信號，作為計數(shù)脈沖。en是使能信號，應連接到經過計數(shù)模塊1分頻后得到的1kHz的時鐘信號上。假設en信號到來，該信號為高電平時，計數(shù)器temp開始計數(shù)，到達設定的計數(shù)時間后輸出高電平，否則為低電平。經過計數(shù)模塊2后系統(tǒng)完成粗延遲，此時延遲分辨率為10ns級。

圖4PLL模塊RTL圖

圖5計數(shù)模塊2的RTL圖

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

圖6PLL模塊仿真波形

計數(shù)模塊1和2的延遲時間均可由單片機動態(tài)寫入，本方針波形寫入的延遲時間為300ns。延遲后的波形如圖7所示。

結語

本設計不同于現(xiàn)有的延遲電路，它將數(shù)字方法圖7延遲后