基于CPLD的智能寬帶去邊沿抖動(dòng)技術(shù)

引　言

在電子設(shè)計(jì)和測(cè)量過(guò)程中，信號(hào)邊沿抖動(dòng)是我們經(jīng)常碰到的現(xiàn)象。如下圖示，t1，t2，...，t4，信號(hào)電平變化時(shí)出現(xiàn)多次隨機(jī)快速變化，這種隨機(jī)變化在有的場(chǎng)合可以容忍，但大部分時(shí)候是難以容忍的，比如精密測(cè)量、精確控制、軍用裝備等等。常規(guī)的解決辦法有濾波、平滑以及觸發(fā)器設(shè)計(jì)等等，但是，這些方法在某些場(chǎng)合是無(wú)能為力的。本文提出的基于CPLD的去抖動(dòng)方法可以有效解決大部分問(wèn)題，為后續(xù)信號(hào)處理和測(cè)量的正確進(jìn)行提供了保證。

圖1　抖動(dòng)

邊沿抖動(dòng)的產(chǎn)生機(jī)理

模擬電路中產(chǎn)生邊沿抖動(dòng)的機(jī)理

模擬電路中信號(hào)產(chǎn)生抖動(dòng)主要發(fā)生在模擬信號(hào)向數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換的時(shí)候(也即信號(hào)幅度離散化過(guò)程中)。這里有兩種情況：一是輸入模擬信號(hào)波形失真，二是幅度離散化電路的原因。

模擬信號(hào)波形失真常見(jiàn)有三個(gè)來(lái)源：(1)噪聲或干擾等有害模擬信號(hào)的竄擾，如從開(kāi)關(guān)電源竄入的齒狀毛刺干擾情形如圖2(a)所示;(2)模擬處理電路的非線(xiàn)性失真，如差分對(duì)管的不一致等，見(jiàn)圖2(b)所示;(3)模擬信號(hào)源的失真，一般來(lái)自于傳感器失真或被檢測(cè)物理量本身的不規(guī)則變化。對(duì)于理想比較器，模擬輸入信號(hào)在閾值附近的失真將引起沿抖動(dòng)，如圖3(a)所示;對(duì)于帶施密特觸發(fā)器的比較器，閾值附近的較大波動(dòng)也能引起沿抖動(dòng)，如圖3(b)所示。

圖2　模擬信號(hào)波形失真

圖3　上升沿失真波形通過(guò)比較器

模擬信號(hào)通過(guò)比較器，或放大后通過(guò)數(shù)字門(mén)電路，都可實(shí)現(xiàn)幅度離散化而成為脈沖數(shù)字信號(hào)。實(shí)際電路中，在閾值VT附近一般有兩極限值：有效低電平輸入的最大值VA、有效高電平輸入的最小值VB，如圖3(c)所示。當(dāng)輸入落在之間的模糊區(qū)中，尤其是在靠近VT附近時(shí)，內(nèi)部電路就相當(dāng)于一個(gè)增益非常大的開(kāi)環(huán)放大器，后級(jí)竄入的微小反饋都會(huì)引起振蕩而形成多次觸發(fā)。因此，即使把一個(gè)足夠幅度足夠光滑的低頻正弦波形加到門(mén)電路的輸入端，由于過(guò)VT點(diǎn)電壓斜升率太小，當(dāng)通過(guò)邏輯模糊帶(ΔV=VB-VA)的時(shí)間(t2-t1)遠(yuǎn)大于門(mén)電路傳播延遲tpd時(shí)，其輸出必將是前后沿都多次抖動(dòng)的脈沖波形(圖3d)。對(duì)于比較器，ΔV一般為幾毫伏，而TTL門(mén)電路，VB=2.4V，VA=0.8V，所以會(huì)更易出現(xiàn)邊沿抖動(dòng)。

數(shù)字電路中產(chǎn)生邊沿抖動(dòng)的機(jī)理

數(shù)字電路中產(chǎn)生邊沿抖動(dòng)主要發(fā)生在以下幾個(gè)方面：(1)開(kāi)關(guān)器件的多次觸發(fā);(2)邏輯設(shè)計(jì)的缺陷;(3)不匹配終端長(zhǎng)線(xiàn)效應(yīng)。

開(kāi)關(guān)器件的多次觸發(fā)是最常見(jiàn)的，如鍵盤(pán)按鍵的多次連接，繼電器的觸頭多次接觸等等，本來(lái)只有一次信號(hào)變化卻形成了若干次變化。邏輯設(shè)計(jì)缺陷產(chǎn)生抖動(dòng)的機(jī)理是：邏輯冒險(xiǎn)或競(jìng)爭(zhēng)，邏輯設(shè)計(jì)不合理造成瞬時(shí)毛刺，這種情況也是經(jīng)常發(fā)生，很難完全避免。在無(wú)終端匹配的長(zhǎng)線(xiàn)上，高頻脈沖信號(hào)在線(xiàn)上多次往返傳播，將在脈沖前后沿形成長(zhǎng)長(zhǎng)的余振，當(dāng)余振幅度足夠大時(shí)，對(duì)接收端門(mén)電路即成為沿抖動(dòng)。

邊沿抖動(dòng)產(chǎn)生的危害

對(duì)于狀態(tài)數(shù)據(jù)信號(hào)，邊沿抖動(dòng)的危害一般較小，僅當(dāng)系統(tǒng)正好在沿抖動(dòng)時(shí)刻采樣才會(huì)引起數(shù)據(jù)錯(cuò)誤?？刂菩盘?hào)、復(fù)位信號(hào)的邊沿抖動(dòng)常會(huì)造成的誤操作，引起邏輯混亂，甚至損壞執(zhí)行機(jī)構(gòu)。而如果時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生沿抖動(dòng)，利用該時(shí)鐘沿工作的鎖存器、計(jì)數(shù)器、定時(shí)器等電路的結(jié)果將可能完全錯(cuò)誤。

常規(guī)去抖動(dòng)方法

針對(duì)抖動(dòng)的產(chǎn)生機(jī)理，我們把常規(guī)去抖動(dòng)的方法也歸納為兩類(lèi)：去模擬信號(hào)抖動(dòng)方法和去開(kāi)關(guān)信號(hào)抖動(dòng)方法，分別被用在模擬電路部分設(shè)計(jì)和數(shù)字電路設(shè)計(jì)中進(jìn)行去抖動(dòng)處理。

去模擬信號(hào)抖動(dòng)方法

由于模擬信號(hào)的質(zhì)量經(jīng)常是引起抖動(dòng)的源頭，因而對(duì)模擬信號(hào)的處理更受關(guān)注。常用的方法主要包括以下幾個(gè)方面：(1)平滑濾波;(2)施密特觸發(fā)器;(3)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。

平滑濾波是常用的方法。讓信號(hào)從檢測(cè)帶的隨機(jī)快速變化鈍化為緩變信號(hào)，濾除不相干的頻率成分，這樣就可以弱化引起抖動(dòng)的信號(hào)分量，在檢測(cè)帶內(nèi)就可準(zhǔn)確檢測(cè)信號(hào)的邏輯電平。電路實(shí)現(xiàn)一般是用電阻電容或加運(yùn)算放大器組成的有源/無(wú)源低通、帶通或帶阻濾波器。

施密特觸發(fā)器對(duì)信號(hào)的整形是利用了電平延遲形成觸發(fā)電平屏蔽區(qū)間的原理。當(dāng)輸入信號(hào)電平超過(guò)門(mén)限VB使輸出置成高電平后，僅當(dāng)輸入電平下降到比VB更低的門(mén)限VA時(shí)才能使輸出翻轉(zhuǎn)，而之間過(guò)程是保持不變。于是，只要信號(hào)抖動(dòng)范圍小于高低門(mén)限電平差，即可保證不發(fā)生抖動(dòng)。而且，由于上下翻轉(zhuǎn)電平有足夠的差值，輸出上下沿將會(huì)陡直，減小了后續(xù)門(mén)電路出現(xiàn)沿抖動(dòng)的可能性。

單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器對(duì)信號(hào)的整形是利用了時(shí)間延遲形成觸發(fā)時(shí)間屏蔽區(qū)間的原理。當(dāng)信號(hào)超過(guò)某個(gè)電平時(shí)，觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，在內(nèi)部定時(shí)沒(méi)有完成前不隨信號(hào)變化而變化，定時(shí)時(shí)間由外部電路設(shè)定，這樣也可對(duì)信號(hào)頻率已知情況的信號(hào)去除掉快變抖動(dòng)。

去開(kāi)關(guān)信號(hào)抖動(dòng)方法

去除數(shù)字信號(hào)引入和處理時(shí)出現(xiàn)的抖動(dòng)常有以下三種途徑：(1)RC濾波;(2)軟件去抖動(dòng)方法;(3)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

RC濾波是消除開(kāi)關(guān)量器件抖動(dòng)的最常見(jiàn)且有效的一種硬件方法，其實(shí)質(zhì)與模擬處理方法中的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器相似。比如，對(duì)鍵盤(pán)按鍵操作時(shí)，按鍵一般都會(huì)多次接觸，常用的做法是加一個(gè)RC濾波電路，這樣，只要設(shè)置的時(shí)常數(shù)大于抖動(dòng)時(shí)間，即可有效消除抖動(dòng)。軟件去抖動(dòng)方法一般是通過(guò)多次檢測(cè)加上延時(shí)、比較來(lái)實(shí)現(xiàn)的。比如，對(duì)鍵盤(pán)按鍵操作時(shí)產(chǎn)生的抖動(dòng)，可以多次檢測(cè)，在一定的時(shí)間內(nèi)是相同的鍵值則認(rèn)為按下了一次，超過(guò)了一定的時(shí)間則認(rèn)為有連續(xù)按鍵操作。

對(duì)于數(shù)字信號(hào)處理中(邏輯設(shè)計(jì)不合理)產(chǎn)生的抖動(dòng)， 主要靠?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)解決。比如器件選擇、同步設(shè)計(jì)、匹配終端等等。器件選擇上，利用在頻帶、速度、精度等各方面相對(duì)實(shí)際需求有較大裕量的器件，這會(huì)使得信號(hào)受器件延時(shí)等影響造成的抖動(dòng)大大減小。同步設(shè)計(jì)可以有效防止信號(hào)變化時(shí)出現(xiàn)的不必要的中間過(guò)程，一般是把異步設(shè)計(jì)的電路改成同步電路，這樣各路信號(hào)經(jīng)過(guò)幾乎相同的時(shí)延，避免了中間過(guò)程變化引起的抖動(dòng)。匹配終端的設(shè)計(jì)對(duì)于頻率高端信號(hào)很有效。

智能寬帶去抖動(dòng)

提出的原因

由上面總結(jié)的方法知，幾種方法都存在一定的不足。(1)利用了信號(hào)電平信息的去模擬抖動(dòng)方法不能用于去除數(shù)字信號(hào)的抖動(dòng);(2)模擬去抖動(dòng)方法中，平滑濾波的方法不能去除信號(hào)波動(dòng)偏大時(shí)產(chǎn)生的抖動(dòng)，而兩個(gè)觸發(fā)器解決辦法則不能準(zhǔn)確反應(yīng)信號(hào)的正半周與負(fù)半周的比例，而且，對(duì)于單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器方法需要針對(duì)不同頻率的信號(hào)采用不同的時(shí)間參數(shù)配置;(3)數(shù)字去抖動(dòng)方法中，RC濾波方法只能針對(duì)慢變信號(hào)，因?yàn)榭熳冃盘?hào)將被濾除或附加一定的相移P時(shí)延，而軟件設(shè)計(jì)的方法需要消耗大量的器件資源和時(shí)間資源，使得處理任務(wù)加重，這在有些時(shí)候是不容許的，對(duì)于優(yōu)化設(shè)計(jì)則需要長(zhǎng)期的經(jīng)驗(yàn)才能有效避免。

總體上，上面的方法在每次設(shè)計(jì)時(shí)都將讓我們權(quán)衡利用，效果有時(shí)也不盡人意。我們這里提出的智能寬帶去抖動(dòng)的方法可以解決大部分的問(wèn)題，對(duì)模擬和數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生的抖動(dòng)均有效。由于是基于CPLD硬件的設(shè)計(jì)，方便改進(jìn)，還可事先不必確切知道哪個(gè)IPO口輸入的信號(hào)需要去抖動(dòng)，同時(shí)不浪費(fèi)其他硬件和軟件資源。在實(shí)際應(yīng)用中可以針對(duì)可能產(chǎn)生邊沿抖動(dòng)的所有信號(hào)進(jìn)行去抖動(dòng)處理，只要器件資源足夠。

智能寬帶去抖動(dòng)原理

當(dāng)我們需要進(jìn)行較復(fù)雜的電路設(shè)計(jì)時(shí)，經(jīng)常用到可編程器件，這樣可以使得硬件軟件化。實(shí)際使用時(shí)，可以針對(duì)引入的某個(gè)或幾個(gè)信號(hào)進(jìn)行去抖動(dòng)處理，使設(shè)計(jì)得到簡(jiǎn)化。當(dāng)信號(hào)輸入CPLD時(shí)，首先進(jìn)行去抖動(dòng)處理，形成規(guī)范的脈沖波形后再進(jìn)行后續(xù)信號(hào)處理。

無(wú)論是在模擬電路中還是在數(shù)字電路中形成的信號(hào)邊沿的抖動(dòng)，最終在送入CPLD的數(shù)字脈沖信號(hào)上都有相同的表現(xiàn)特征：緊跟在真實(shí)上(下)邊沿后面有多個(gè)負(fù)(正)的虛假窄脈沖。因而在CPLD中我們可以采用相同的方法來(lái)進(jìn)行邊沿去抖動(dòng)處理。由于信號(hào)頻段不同，抖動(dòng)時(shí)間也會(huì)不同，正確處理的前提條件：(1)信號(hào)邊沿抖動(dòng)時(shí)間小于信號(hào)周期的四分之一;(2)信號(hào)頻率小于器件工作頻率的八分之一。第一條是防止實(shí)際邊沿界定不準(zhǔn)，第二條是保證抖動(dòng)范圍可靠界定。對(duì)于頻率未知情況，可以對(duì)頻率進(jìn)行分段，配合少量軟件編程，針對(duì)信號(hào)頻段可以進(jìn)行智能分段處理。

具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，設(shè)置三個(gè)觸發(fā)器：上升沿檢測(cè)觸發(fā)器B、下降沿觸發(fā)器C以及波門(mén)定時(shí)觸發(fā)器D。其中，上升沿觸發(fā)器是在信號(hào)上升沿到來(lái)時(shí)變成高電平，下降沿觸發(fā)器是在信號(hào)下降沿到來(lái)時(shí)變成高電平，抖動(dòng)定時(shí)觸發(fā)器當(dāng)前兩個(gè)觸發(fā)器是在前兩個(gè)觸發(fā)器之一變成高電平時(shí)變成高電平。前兩個(gè)觸發(fā)器在抖動(dòng)定時(shí)觸發(fā)器清零時(shí)同時(shí)被清零，而抖動(dòng)定時(shí)觸發(fā)器清零時(shí)間由信號(hào)頻率對(duì)應(yīng)邊沿抖動(dòng)范圍決定。時(shí)序如圖4所示。其中，為觀察方便，下降沿觸發(fā)器變成高電平的時(shí)間拖后了一些。由圖可見(jiàn)，輸入信號(hào)在前后沿均有雜亂的毛刺，用常規(guī)方法消除這種抖動(dòng)很困難，模擬去抖動(dòng)方法無(wú)能為力，常規(guī)的數(shù)字方法需要消耗軟件和硬件資源，而且容易形成誤操作，用我們的方法就很簡(jiǎn)潔。

A信號(hào)第一次電平變化時(shí)(t1時(shí)刻)，出現(xiàn)上升沿，B觸發(fā)器開(kāi)始觸發(fā)，同時(shí)引發(fā)D觸發(fā)器觸發(fā)，第一次下降沿到來(lái)時(shí)(即第一個(gè)毛刺，t2時(shí)刻)，C觸發(fā)器觸發(fā)，在設(shè)定定時(shí)范圍內(nèi)，三個(gè)觸發(fā)器均保持不變。定時(shí)結(jié)束時(shí)(t3時(shí)刻)，D觸發(fā)器被清零，同時(shí)使B和C觸發(fā)器清零。從上面可以看出來(lái)，只要t3時(shí)刻不超過(guò)t4時(shí)刻則不破壞原來(lái)信號(hào)的正負(fù)區(qū)間。

在A信號(hào)實(shí)際下降沿到來(lái)時(shí)刻(t4時(shí)刻)，相當(dāng)于定時(shí)觸發(fā)器清零后第一次下降沿到來(lái)時(shí)刻，此時(shí)C觸發(fā)器又受到觸發(fā)，同時(shí)引發(fā)D觸發(fā)器觸發(fā)。B觸發(fā)器在第一個(gè)毛刺到來(lái)時(shí)刻(t5時(shí)刻)得到觸發(fā)，與前面相同。在這次定時(shí)沒(méi)有結(jié)束前三個(gè)觸發(fā)器變成不變，直到定時(shí)結(jié)束時(shí)刻(t6時(shí)刻)，三個(gè)觸發(fā)器同時(shí)被清零。余下依此類(lèi)推。

圖4　去抖動(dòng)電路時(shí)序圖

最后，我們來(lái)看一下D觸發(fā)器波形，它在A信號(hào)正半周期間正負(fù)變化一次，在A信號(hào)負(fù)半周期間正負(fù)再變化一次，因此，只需用D觸發(fā)器的上升沿來(lái)觸發(fā)E信號(hào)，即可準(zhǔn)確的恢復(fù)出沒(méi)有抖動(dòng)的A信號(hào)來(lái)，如圖所示。如果A信號(hào)是周期信號(hào)，則E信號(hào)就是D信號(hào)的二分頻信號(hào)(注意用信號(hào)本身與D信號(hào)來(lái)對(duì)齊正半周就行)。

上面是有信號(hào)邊沿抖動(dòng)的情況的分析，現(xiàn)在再來(lái)看看信號(hào)沒(méi)有邊沿抖動(dòng)的情況?？梢韵胂?，在t2到t3時(shí)刻期間C觸發(fā)器沒(méi)有觸發(fā)，但B和D觸發(fā)器依然觸發(fā)，因?yàn)锳信號(hào)存在上升沿，在t5到t6時(shí)刻期間B觸發(fā)器沒(méi)有觸發(fā)，但C和D觸發(fā)器仍然觸發(fā)，因?yàn)锳信號(hào)在t4時(shí)刻存在下降沿，由此可以看出，在這種情況下，D觸發(fā)器波形沒(méi)有改變，從而可以用同樣的方法得到E恢復(fù)信號(hào)。

當(dāng)信號(hào)頻率變化(或根本不是周期信號(hào)，只是一個(gè)個(gè)脈沖群)時(shí)，只要設(shè)置的波門(mén)定時(shí)范圍滿(mǎn)足前面提出的兩個(gè)條件，則仍然可以適用。如果在多倍頻程變化時(shí)，由于信號(hào)邊沿抖動(dòng)寬度不一致，低端的抖動(dòng)范圍可能已經(jīng)超出了高頻端周期的一半，不能進(jìn)行準(zhǔn)確還原，因此需要進(jìn)行分段處理。在輸入信號(hào)頻率完全未知的情況下，可以實(shí)際測(cè)量參數(shù)，根據(jù)最穩(wěn)定的情況來(lái)確定分段的界限和參數(shù)，如果配合少量的軟件編程，提取信號(hào)穩(wěn)定的段結(jié)果即可。這樣，就可以在很寬的頻帶內(nèi)，自動(dòng)選擇頻段參數(shù)以正確進(jìn)行去抖動(dòng)處理。

智能去抖動(dòng)方法的性能

從上面分析可以看出，只需用四個(gè)觸發(fā)器加一個(gè)定時(shí)器即可，定時(shí)器的位數(shù)由CPLD時(shí)鐘以及信號(hào)頻率決定，一般做到八位就非常好了。相對(duì)于其他方法，該智能去抖動(dòng)方法有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)軟硬件上花費(fèi)資源很少，但性能很好;

(2)能準(zhǔn)確界定和還原信號(hào)的正半周和負(fù)半周;

(3)可在較寬的頻段里適用;

(4)不附帶引入的相位偏移等任何破壞原信號(hào)的信息。

應(yīng)　用

下面是該去抖動(dòng)技術(shù)應(yīng)用于模擬信號(hào)頻率測(cè)量的實(shí)際情況。

模擬信號(hào)的測(cè)頻方法比較多，以測(cè)周期方法為例。信號(hào)輸入到CPLD后，進(jìn)行電平比較，對(duì)于有邊沿抖動(dòng)的信號(hào)先用智能去抖動(dòng)方法進(jìn)行去抖動(dòng)處理。然后對(duì)恢復(fù)信號(hào)進(jìn)行邊沿檢測(cè)，啟動(dòng)計(jì)數(shù)，測(cè)量信號(hào)周期內(nèi)信號(hào)計(jì)得的采樣個(gè)數(shù)，即可測(cè)得信號(hào)周期，從而計(jì)算出信號(hào)頻率。如果沒(méi)有去除抖動(dòng)，測(cè)量結(jié)果勢(shì)必有非常大的誤差。一個(gè)實(shí)際的頻率測(cè)量電路如圖5所示。

圖5　頻率測(cè)量電路框圖

這里，前面的電路主要用于信號(hào)的匹配、放大和調(diào)理處理，CPLD與MPU 完成智能去抖動(dòng)、測(cè)頻和計(jì)算、顯示功能。實(shí)際測(cè)量當(dāng)中，對(duì)于20Hz～20kHz信號(hào)只需三個(gè)頻段就能可靠解決抖動(dòng)的問(wèn)題。由于同時(shí)采用了分頻方法，實(shí)際測(cè)量精度在頻率高端達(dá)到1Hz。