數(shù)字信號在不同時鐘域間同步電路的設(shè)計

摘要：文中從控制信號和數(shù)據(jù)通路兩個方面入手，設(shè)計了信號在不同時鐘域之間的同步電路。采用直接鎖存法和鎖存反饋法來控制信號的跨時鐘域傳遞，電路簡潔、高效；采用異步FIFO (First In First Out)實現(xiàn)數(shù)據(jù)信號的同步，并通過格雷碼和兩級鎖存來進行指針的跨時鐘域傳遞，F(xiàn)IFO緩沖區(qū)的空滿判斷采用修改后的格雷碼，對n+1位的編碼可以節(jié)省(n2-n-2)／2次異或操作。該設(shè)計解決了信號跨時鐘域傳遞時可能出現(xiàn)的亞穩(wěn)態(tài)問題。
關(guān)鍵詞：同步電路；異步FIFO；格雷碼；亞穩(wěn)態(tài)

隨著系統(tǒng)應(yīng)用需求的不斷增多和集成電路技術(shù)的快速發(fā)展，大規(guī)模數(shù)字電路中常包含多個時鐘域，設(shè)計中不可避免地要完成數(shù)字信號在不同時鐘域間的傳遞，這時，如何保持系統(tǒng)的穩(wěn)定，順利完成控制信號和數(shù)據(jù)通路的傳輸就變得至關(guān)重要，這也是電路設(shè)計中最為棘手的問題之一。如果不采取一定的措施，控制信號和數(shù)據(jù)通路的接收方極易產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)信號，從而造成電路的同步出錯。本文討論了控制信號和數(shù)據(jù)通路的同步，提出了解決方案。

1 控制信號的同步技術(shù)
控制信號的同步分從快時鐘域到慢時鐘域、從慢時鐘域到快時鐘域的轉(zhuǎn)換和異步輸入控制信號的同步三種情況。分別采用直接鎖存法和鎖存反饋法來實現(xiàn)。
1．1 直接鎖存法
控制信號從慢時鐘域到快時鐘域轉(zhuǎn)換時，由于控制信號的有效寬度為慢時鐘域周期，需要做特殊處理，保證跨時鐘域后有效寬度為一個快時鐘周期，否則信號轉(zhuǎn)換到快時鐘域后可能被誤解釋為連續(xù)的多個控制信號。同步電路如圖1所示，在快時鐘域?qū)刂菩盘栠M行兩級鎖存，由于第二和第三個觸發(fā)器的輸出延遲一個快時鐘周期，將它們做一個邏輯運算，就可以得到有效一個快時鐘周期的控制信號。