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基于数字移相的高精度脉宽测量系统及其FPGA实现

摘要:采用xilinx公司的spartanii系列fpga芯片设计了一种基于数字移相技术的高精度脉宽测量系统,同时给出了系统的仿真结果和精度分析。与通常的脉冲计数法相比,该系统的最大测量误差减小到原来的34.2%。

关键词:脉宽测量 数字移相 脉冲计数法 fpga

在测量与仪器仪表领域,经常需要对数字信号的脉冲宽度进行测量。这种测量通常采用脉冲计数法,即在待测信号的高电平或低电平用一高频时钟脉冲进行计数,然后根据脉冲的个数计算待测信号宽度,如图1所示。待测信号相对于计数时钟通常是独立的,其上升、下降沿不可能正好落在时钟的边沿上,因此该法的最大测量误差为一个时钟周期。例如采用80mhz的高频时钟,最大误差为12.5ns。

提高脉冲计数法的精度通常有两个思路:提高计数时钟频率和使用时幅转换技术。时钟频率越高,测量误差越小,但是频率越高对芯片的性能要求也越高。例如要求1ns的测量误差时,时钟频率就需要提高到1ghz,此时一般计数器芯片很难正常工作,同时也会带来电路板的布线、材料选择、加工等诸多问题。时幅转换技术虽然对时钟频率不要求,但由于采用模拟电路,在待测信号频率比较高的情况下容易受噪声干扰,而且当要求连续测量信号的脉宽时,电路反应的快速性方面就存在一定问题。

区别于以上两种方法,本文提出另一种利用数字移相技术提高脉宽测量精度的思路并使用fpga芯片实现测试系统。

1 测量原理

所谓移相是指对于两路同频信号,以其中一路为参考信号,另一路相对于该参考信号做超前或滞后的移动形成相位差。数字移相通常采用延时方法,以延时的长短来决定两数字信号间的相位差,本文提出的测量原理正是基于数字移相技术。如图2所示,原始计数时钟信号clk0通过移相后得到clk90、clk180、clk270,相位依次相差90°,用这四路时钟信号同时驱动四个相同的计数器对待测信号进行计数。设时钟频率为f,周期为t,四个计数器的计数个数分别为m1、m2、m3和m4,则最后脉宽测量值为:

w=[(1+2+3+4)/4]×t (1)

可以看到,这种方法实际等效于将原始计数时钟四倍频,以4f的时钟频率对待测信号进行计数测量,从而将测量精度提高到原来的4倍。例如原始计数时钟为80mhz时,系统的等效计数频率则为320mhz,如果不考虑各路计数时钟间的相对延迟时间误差,其测量的最大误差将降为原来的四分之一,仅为3.125ns。同时,该法保证了整个电路的最大工作频率仍为f,避免了时钟频率提高带来的一系列问题。

2 系统实现

系统实现的最关键部分是保证送入各计数器的时钟相对延迟精度,即要保证计数时钟之间的相位差。由于通常原始时钟频率已经相对较高(通常接近100mhz),周期在10~20ns之间,因此对时钟的延迟时间只有几ns,使用普通的延迟线芯片无法达到精度要求;同时为了避免电路板内芯片间传送延迟的影响,保证测试系统的精度、稳定性和柔性。本文采用现场可编程门阵列(fpga)来实现所提出的测量方法。系统结构如图3所示。晶振产生原始输入时钟,通过移相计数模块后得到脉宽的测量值,测量结果送入fifo缓存中,以加快数据处理速度,最后通过pci总线完成与计算机的数据传输。逻辑控制用来协调各模块间的时序,保证系统的正常运行。为提高测试系统的灵活性和方便性,系统建立了内部寄存器,通过软件修改寄存器的值可以控制测试系统的启动停止,选择测量高电平或低电平等。移相计数模块、fifo缓冲以及逻辑控制均在fpga芯片内实现,芯片使用xilinx公司的spartanii系列。

spartanii系列是一款高性能、低价位的fpga芯片,其最高运行频率为200mhz,这里选用其中的xc2s15-6(-6为速度等级)。芯片提供了四个高精度片内数字延迟锁定环路(delay-locked loop,即dll),可以保证芯片内时钟信号的零传送延迟和低的时钟歪斜(clock skew);同时可以方便地实现对时钟信号的常用控制,如移相、倍频、分频等。在hdl程序设计中,可以使用符号clkdll调用片内dll结构,其管脚图如图4所示。主要管脚说明如下:

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基于数字移相的高精度脉宽测量系统及其FPGA实现

摘要:采用xilinx公司的spartanii系列fpga芯片设计了一种基于数字移相技术的高精度脉宽测量系统,同时给出了系统的仿真结果和精度分析。与通常的脉冲计数法相比,该系统的最大测量误差减小到原来的34.2%。 关键词:脉宽测量 数字移相 脉冲计数法 fpga 在测
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