基于數(shù)字移相的高精度脈寬測量系統(tǒng)及其FPGA實(shí)現(xiàn)

　　在測量與儀器儀表領(lǐng)域,經(jīng)常需要對(duì)數(shù)字信號(hào)的脈沖寬度進(jìn)行測量.這種測量通常采用脈沖計(jì)數(shù)法,即在待測信號(hào)的高電平或低電平用一高頻時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù),然后根據(jù)脈沖的個(gè)數(shù)計(jì)算待測信號(hào)寬度,如圖1所示.待測信號(hào)相對(duì)于計(jì)數(shù)時(shí)鐘通常是獨(dú)立的,其上升、下降沿不可能正好落在時(shí)鐘的邊沿上,因此該法的最大測量誤差為一個(gè)時(shí)鐘周期.例如采用80MHz的高頻時(shí)鐘,最大誤差為12.5ns.

提高脈沖計(jì)數(shù)法的精度通常有兩個(gè)思路:提高計(jì)數(shù)時(shí)鐘頻率和使用時(shí)幅轉(zhuǎn)換技術(shù).時(shí)鐘頻率越高,測量誤差越小,但是頻率越高對(duì)芯片的性能要求也越高.例如要求1ns的測量誤差時(shí),時(shí)鐘頻率就需要提高到1GHz,此時(shí)一般計(jì)數(shù)器芯片很難正常工作,同時(shí)也會(huì)帶來電路板的布線、材料選擇、加工等諸多問題.時(shí)幅轉(zhuǎn)換技術(shù)雖然對(duì)時(shí)鐘頻率不要求,但由于采用模擬電路,在待測信號(hào)頻率比較高的情況下容易受噪聲干擾,而且當(dāng)要求連續(xù)測量信號(hào)的脈寬時(shí),電路反應(yīng)的快速性方面就存在一定問題.

　　區(qū)別于以上兩種方法,本文提出另一種利用數(shù)字移相技術(shù)提高脈寬測量精度的思路并使用FPGA芯片實(shí)現(xiàn)測試系統(tǒng).

　　1 測量原理

　　所謂移相是指對(duì)于兩路同頻信號(hào),以其中一路為參考信號(hào),另一路相對(duì)于該參考信號(hào)做超前或滯后的移動(dòng)形成相位差.數(shù)字移相通常采用延時(shí)方法,以延時(shí)的長短來決定兩數(shù)字信號(hào)間的相位差,本文提出的測量原理正是基于數(shù)字移相技術(shù).如圖2所示,原始計(jì)數(shù)時(shí)鐘信號(hào)CLK0通過移相后得到CLK90、CLK180、CLK270,相位依次相差90°,用這四路時(shí)鐘信號(hào)同時(shí)驅(qū)動(dòng)四個(gè)相同的計(jì)數(shù)器對(duì)待測信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù).設(shè)時(shí)鐘頻率為f,周期為T,四個(gè)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)分別為m1、m2、m3和m4,則最后脈寬測量值為:

　　w=[(m1+m2+m3+m4)/4]×T　 (1)

　　可以看到,這種方法實(shí)際等效于將原始計(jì)數(shù)時(shí)鐘四倍頻,以4f的時(shí)鐘頻率對(duì)待測信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)測量,從而將測量精度提高到原來的4倍.例如原始計(jì)數(shù)時(shí)鐘為80MHz時(shí),系統(tǒng)的等效計(jì)數(shù)頻率則為320MHz,如果不考慮各路計(jì)數(shù)時(shí)鐘間的相對(duì)延遲時(shí)間誤差,其測量的最大誤差將降為原來的四分之一,僅為3.125ns.同時(shí),該法保證了整個(gè)電路的最大工作頻率仍為f,避免了時(shí)鐘頻率提高帶來的一系列問題.

　　2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

　　系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的最關(guān)鍵部分是保證送入各計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘相對(duì)延遲精度,即要保證計(jì)數(shù)時(shí)鐘之間的相位差.由于通常原始時(shí)鐘頻率已經(jīng)相對(duì)較高(通常接近100MHz),周期在10～20ns之間,因此對(duì)時(shí)鐘的延遲時(shí)間只有幾ns,使用普通的延遲線芯片無法達(dá)到精度要求;同時(shí)為了避免電路板內(nèi)芯片間傳送延遲的影響,保證測試系統(tǒng)的精度、穩(wěn)定性和柔性.本文采用現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)來實(shí)現(xiàn)所提出的測量方法.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示.晶振產(chǎn)生原始輸入時(shí)鐘,通過移相計(jì)數(shù)模塊后得到脈寬的測量值,測量結(jié)果送入FIFO緩存中,以加快數(shù)據(jù)處理速度,最后通過PCI總線完成與計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸.邏輯控制用來協(xié)調(diào)各模塊間的時(shí)序,保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行.為提高測試系統(tǒng)的靈活性和方便性,系統(tǒng)建立了內(nèi)部寄存器,通過軟件修改寄存器的值可以控制測試系統(tǒng)的啟動(dòng)停止,選擇測量高電平或低電平等.移相計(jì)數(shù)模塊、FIFO緩沖以及邏輯控制均在FPGA芯片內(nèi)實(shí)現(xiàn),芯片使用XILINX公司的SpartanII系列.

　　SpartanII系列是一款高性能、低價(jià)位的FPGA芯片,其最高運(yùn)行頻率為200MHz,這里選用其中的XC2S15-6(-6為速度等級(jí)).芯片提供了四個(gè)高精度片內(nèi)數(shù)字延遲鎖定環(huán)路(Delay-Locked Loop,即DLL),可以保證芯片內(nèi)時(shí)鐘信號(hào)的零傳送延遲和低的時(shí)鐘歪斜(Clock Skew);同時(shí)可以方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)鐘信號(hào)的常用控制,如移相、倍頻、分頻等.在HDL程序設(shè)計(jì)中,可以使用符號(hào)CLKDLL調(diào)用片內(nèi)DLL結(jié)構(gòu),其管腳圖如圖4所示.主要管腳說明如下:

　　CLKIN:時(shí)鐘源輸入,其頻率范圍為25～100MHz.

　　CLKFB:反饋或參考時(shí)鐘信號(hào),只能從CLK0或CLK2X反饋輸入.

　　CLK?眼0|90|180|270?演:時(shí)鐘輸出,與輸入時(shí)鐘同頻,但相位依次相差90°.其內(nèi)部定義了屬性DUTY_CYCLE_CORRECTION,可以用來調(diào)整時(shí)鐘的占空比,值為FALSE時(shí),輸出時(shí)鐘占空比和輸入時(shí)鐘一致,值為TRUE時(shí)將占空比調(diào)整為50%.

　　CLK2X:時(shí)鐘源倍頻輸出,且占空比自動(dòng)調(diào)整為50%.

　　CLKDV:時(shí)鐘源分頻輸出,由屬性 CLKDV_DIVIDE控制N分頻,N可以為1.5、2、2.5、3、4、5、8或16.

　　LOCKED:該信號(hào)為低電平時(shí),表示延遲鎖相環(huán)DLL還沒有鎖定信號(hào),上述輸出時(shí)鐘信號(hào)未達(dá)到理想信號(hào);當(dāng)變?yōu)楦唠娖綍r(shí),表示鎖相環(huán)已經(jīng)完成信號(hào)鎖定,輸出時(shí)鐘信號(hào)可用.若時(shí)鐘源輸入頻率大于60MHz,則系統(tǒng)鎖定時(shí)間大約需20μs.

　　利用DLL功能可以非常快速方便地構(gòu)建移相計(jì)數(shù)模塊,實(shí)現(xiàn)本文前面介紹的測量方法.移相計(jì)數(shù)模塊結(jié)構(gòu)如圖5所示.原始時(shí)鐘通過CLKDLL處理后得到的相位依次相差90°的四路時(shí)鐘輸出為CLK0、CLK90、CLK180和CLK270,它們分別作為四個(gè)相同的16位計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)時(shí)鐘,待測信號(hào)連接計(jì)數(shù)器的使能端,同時(shí)控制四個(gè)計(jì)數(shù)器的啟動(dòng)和停止.有了各計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)結(jié)果,再通過加法器得到累加的計(jì)數(shù)個(gè)數(shù),最后計(jì)算出信號(hào)脈寬值.

　　3 仿真和精度分析

　　圖6給出了FPGA芯片內(nèi)部布線后用Modelsim進(jìn)行仿真的結(jié)果.在RESET后就啟動(dòng)移相計(jì)數(shù)模塊,開始對(duì)待測信號(hào)進(jìn)行測量,完成一次測量后產(chǎn)生READY信號(hào),同時(shí)輸出測量結(jié)果,以供后續(xù)部分使用.仿真的結(jié)果證明測試系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo).

　　下面進(jìn)一步對(duì)系統(tǒng)做深入的誤差分析.造成系統(tǒng)測量脈寬誤差的來源主要有系統(tǒng)原理誤差TS、時(shí)鐘相移誤差TP和信號(hào)延遲誤差Td以及計(jì)數(shù)時(shí)鐘抖晃TC,如圖7所示.

　　由前所述,當(dāng)80MHz晶振時(shí)鐘輸入時(shí),系統(tǒng)原理誤差TS=3.125ns.時(shí)鐘相移誤差為從CLKDLL中出來的四路時(shí)鐘信號(hào)之間本身的相位偏移,根據(jù)芯片提供的參數(shù),其最大TP為200ps.計(jì)數(shù)時(shí)鐘抖晃是指從CLKDLL中輸出的時(shí)鐘信號(hào)本身周期的偏差,其最大TC為60ps.由于計(jì)數(shù)的時(shí)鐘周期數(shù)較多,故平均后其對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的測量誤差影響可以忽略不計(jì).

　　信號(hào)延遲誤差即為由于芯片內(nèi)部各信號(hào)傳輸延遲不一致而造成的四個(gè)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)的同步誤差.為分析該誤差情況,用ISE 5.1提供的Timing Analyzer程序?qū)﹃P(guān)鍵路徑做進(jìn)一步的時(shí)間分析,得到的結(jié)果如表1所示.

　　表1 各信號(hào)到計(jì)數(shù)器的延遲分析(單位:ns)

 計(jì)數(shù)器1 計(jì)數(shù)器2 計(jì)數(shù)器3 計(jì)數(shù)器4
計(jì)數(shù)時(shí)鐘延遲CLK[0|90|180|270] 3.294 3.562 3.640 3.149
待測信號(hào)延遲 3.962 4.665 4.843 4.767
時(shí)鐘相對(duì)信號(hào)延遲 0.668 1.103 1.203 1.618
延遲誤差Td Td=1.618-0.668=0.950

　　表中第一欄為從CLKDLL中出來的計(jì)數(shù)時(shí)鐘到各自計(jì)數(shù)器的延遲時(shí)間,第二欄為用來控制計(jì)數(shù)器啟動(dòng)停止的HF信號(hào)到四個(gè)計(jì)數(shù)器的時(shí)間.由于需要的是各計(jì)數(shù)時(shí)鐘間相對(duì)延遲時(shí)間,故第三欄給出時(shí)鐘相對(duì)于HF信號(hào)到計(jì)數(shù)器的延遲,即為第一欄和第二欄的差值.由此得出信號(hào)延遲誤差Td=0.950ns.

　　故有系統(tǒng)測量誤差Γ為:

　　Γ=TS+TP+Td=4.275ns (2)

　　即脈寬測量最大誤差為±4.275ns.與脈沖計(jì)數(shù)法比較,同樣的80MHz時(shí)鐘輸入,最大測量誤差減小到原來的34.2%.

　　本文在數(shù)字移相技術(shù)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種高精度的脈寬測量系統(tǒng),使測量精度相對(duì)于脈沖計(jì)數(shù)法提高了多倍.若需進(jìn)一步提高這種方法的測量精度,可以通過以下兩個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn):(1)繼續(xù)提高晶振頻率,尋求速度更快的FPGA芯片.晶振頻率越高,系統(tǒng)原理誤差越小.(2)減小信號(hào)延遲誤差.由前面可以看到,信號(hào)的延遲誤差對(duì)系統(tǒng)精度的影響占了很大的比例.減小各計(jì)數(shù)時(shí)鐘和待測信號(hào)到計(jì)數(shù)器的信號(hào)延遲的差異,可以有效地提高測量精度.由于FPGA內(nèi)部信號(hào)延遲的時(shí)間均可以很方便地得到,因此在設(shè)計(jì)時(shí)可以通過調(diào)整內(nèi)部各元件的放置位置以及連線來盡量減小延遲誤差,或者通過添加一些門電路來增加延時(shí)以使各信號(hào)延遲時(shí)間盡可能相同.