基于FPGA的高速可變周期脈沖發(fā)生器的設(shè)計(jì)

        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FPGA設(shè)計(jì)了一款周期和輸出個(gè)數(shù)可變的脈沖發(fā)生器。經(jīng)過(guò)板級(jí)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(shí)間與低電平持續(xù)時(shí)間共同構(gòu)成，為了改變周期，采用兩個(gè)計(jì)數(shù)器來(lái)分別控制高電平持續(xù)時(shí)間和低電平持續(xù)時(shí)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(shí)間以初始值加載到第一個(gè)減法器中后，減法器開始減計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)到零時(shí)自動(dòng)停止，同時(shí)啟動(dòng)第二個(gè)記錄低電平持續(xù)時(shí)間的計(jì)數(shù)器計(jì)時(shí)。當(dāng)?shù)诙€(gè)減法計(jì)數(shù)器也減計(jì)到零時(shí)，計(jì)數(shù)器自動(dòng)停止。

        這樣就完成一個(gè)脈沖的輸出，而這個(gè)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(gè)數(shù)的輸出，在脈沖輸出通道上設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)量控制計(jì)數(shù)器，對(duì)脈沖個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)到要求輸出的個(gè)數(shù)時(shí)．完成輸出并給出一個(gè)done信號(hào)作為該模塊工作完成的標(biāo)志信號(hào)。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(hào)說(shuō)明：

start信號(hào)：?jiǎn)?dòng)信號(hào)。
reset，信號(hào)：系統(tǒng)復(fù)位信號(hào)。
clock信號(hào)：系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)。
high信號(hào)：高電平持續(xù)時(shí)間初值。
low信號(hào)：低電平持續(xù)時(shí)間初值。
num信號(hào)：個(gè)數(shù)控制寄存器初始值。
output信號(hào)：脈沖輸出信號(hào)。初始化時(shí)為低。
done信號(hào)：脈沖輸出完的標(biāo)志信號(hào)。

       3 高低電平計(jì)時(shí)器設(shè)計(jì)

        3.1 設(shè)計(jì)方法

        為了產(chǎn)生所需要時(shí)間的高電平，可以利用一個(gè)可預(yù)置數(shù)的減法計(jì)數(shù)器來(lái)達(dá)到目的，計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)分為兩個(gè)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(cè)系統(tǒng)，檢測(cè)到計(jì)數(shù)器工作完成后輸出一個(gè)時(shí)鐘周期寬的脈沖作為該計(jì)數(shù)器工作完成信號(hào)，并可作為下一個(gè)計(jì)數(shù)器工作的啟動(dòng)信號(hào)。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(hào)reset給出一個(gè)時(shí)鐘周期寬的脈沖，復(fù)位內(nèi)部各個(gè)信號(hào)及觸發(fā)器。

然后，在下一個(gè)有效時(shí)鐘時(shí)刻，外部start信號(hào)給出一個(gè)時(shí)鐘周期寬度的脈沖，用來(lái)啟動(dòng)計(jì)數(shù)器的工作。在設(shè)計(jì)中，當(dāng)start信號(hào)有效時(shí)(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(shí)，輸出信號(hào)pulse將跳變?yōu)楦唠娖剑?dāng)Q減到零的時(shí)候，pulse信號(hào)再跳變回低電平。這個(gè)脈沖信號(hào)的后沿將被后面的由兩個(gè)D觸發(fā)器構(gòu)成的檢測(cè)單元捕獲，并在pulse信號(hào)的下降沿后產(chǎn)生一個(gè)時(shí)鐘周期寬的脈沖，定義為done信號(hào)，表示該信號(hào)完成輸出。

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

      3.3 時(shí)序仿真

      在QuartusⅡ4.1開發(fā)平臺(tái)上模擬該模塊兩個(gè)輸出信號(hào)，時(shí)序仿真如圖3所示。

       從圖中可以看出，done信號(hào)在pulse信號(hào)輸出完成后輸出一個(gè)時(shí)鐘周期寬度。把這個(gè)完成信號(hào)done加到下一級(jí)類似的減法計(jì)數(shù)器的start信號(hào)上。將會(huì)啟動(dòng)下一級(jí)計(jì)數(shù)器的工作。如果將下一級(jí)的完成信號(hào)done加載給本級(jí)的start信號(hào)。將會(huì)重啟一個(gè)脈沖的生成。如此將會(huì)自動(dòng)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(shí)鐘輸入端接脈沖的輸出信號(hào)，當(dāng)要求輸出脈沖的個(gè)數(shù)到達(dá)時(shí)，輸出一個(gè)門控信號(hào)door，后面的兩個(gè)D觸發(fā)器仍然用來(lái)捕獲門控信號(hào)door的后沿。一旦輸出個(gè)數(shù)到達(dá)，done信號(hào)立即輸出一個(gè)時(shí)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(shí)序仿真

        在QuartusⅡ4.1開發(fā)平臺(tái)上軟仿真，把脈沖發(fā)生器中產(chǎn)生的每個(gè)脈沖的start信號(hào)作為數(shù)量控制器的輸入信號(hào)，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(gè)OV信號(hào)標(biāo)志該批次任務(wù)結(jié)束。OV信號(hào)可再次加載到總的reset信號(hào)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(hào)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(huì)影響電路的工作頻率。由于毛刺很窄，對(duì)整個(gè)電路工作無(wú)任何影響。所以，該模塊設(shè)計(jì)中并未處理。

        5 內(nèi)部信號(hào)連接及工作方式

        根據(jù)各個(gè)模塊的功能和邏輯關(guān)系，由高電平計(jì)時(shí)器、低電平計(jì)時(shí)器和數(shù)量控制計(jì)數(shù)器可以搭建整個(gè)周期脈沖發(fā)生器．其內(nèi)部電路按照?qǐng)D6的方式連接。

        首先，在時(shí)鐘信號(hào)上升沿給出一個(gè)時(shí)鐘周期寬度的reset信號(hào)以復(fù)位整個(gè)電路的觸發(fā)器和各個(gè)輸出信號(hào)。當(dāng)一個(gè)啟動(dòng)信號(hào)start在時(shí)鐘的上升沿被檢測(cè)到時(shí)，高電平開始計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)長(zhǎng)度等于high數(shù)值與時(shí)鐘周期之積。當(dāng)計(jì)時(shí)到達(dá)時(shí)，高電平計(jì)時(shí)器停止工作，高電平計(jì)時(shí)器輸出一個(gè)完成信號(hào)，該信號(hào)接在低電平計(jì)時(shí)器的start信號(hào)腳上，以啟動(dòng)低電平計(jì)時(shí)器，低電平計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)完成時(shí)，低電平計(jì)時(shí)器停止工作，并輸出一個(gè)完成信號(hào)，該信號(hào)通過(guò)或門接在高電平計(jì)時(shí)器的start信號(hào)腳，再次啟動(dòng)高電平計(jì)時(shí)器，開始第二個(gè)脈沖高電平的輸出。由于低電平計(jì)時(shí)器的完成信號(hào)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(shí)，數(shù)量控制計(jì)數(shù)器開始對(duì)其輸入脈沖s_input進(jìn)行數(shù)量監(jiān)測(cè)。

         在脈沖輸出數(shù)量未達(dá)到預(yù)定個(gè)數(shù)(數(shù)量控制計(jì)數(shù)器中的初始值)時(shí)，門控信號(hào)door一直輸出"高"，以允許脈沖通過(guò)。一旦脈沖輸出的數(shù)量達(dá)到預(yù)定個(gè)數(shù)時(shí)，門控信號(hào)door輸出變?yōu)?quot;低"，關(guān)閉輸出通道，并輸出一個(gè)任務(wù)完成的標(biāo)志信號(hào)done。done又通過(guò)或門連接在全局復(fù)位信號(hào)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(dòng)信號(hào)來(lái)臨。

周期脈沖發(fā)生器模塊整體時(shí)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(gè)脈沖，第二路輸出一個(gè)脈沖，當(dāng)兩路脈沖都輸出完成時(shí)，系統(tǒng)恢復(fù)到初始狀態(tài)。而當(dāng)start信號(hào)再次給出一個(gè)啟動(dòng)脈沖后，將再執(zhí)行一次任務(wù)。

        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(jí)，輸出的脈沖調(diào)節(jié)步長(zhǎng)和最小寬度都可以到ns量級(jí)。在此基礎(chǔ)上，筆者設(shè)計(jì)了一個(gè)多路可調(diào)脈沖周期的時(shí)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。