基于CPLD的智能寬帶去邊沿抖動技術(shù)

智能寬帶去抖動

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)利用了信號電平信息的去模擬抖動方法不能用于去除數(shù)字信號的抖動;(2)模擬去抖動方法中，平滑濾波的方法不能去除信號波動偏大時產(chǎn)生的抖動，而兩個觸發(fā)器解決辦法則不能準(zhǔn)確反應(yīng)信號的正半周與負(fù)半周的比例，而且，對于單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器方法需要針對不同頻率的信號采用不同的時間參數(shù)配置;(3)數(shù)字去抖動方法中，RC濾波方法只能針對慢變信號，因?yàn)榭熳冃盘枌⒈粸V除或附加一定的相移P時延，而軟件設(shè)計的方法需要消耗大量的器件資源和時間資源，使得處理任務(wù)加重，這在有些時候是不容許的，對于優(yōu)化設(shè)計則需要長期的經(jīng)驗(yàn)才能有效避免。

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

智能寬帶去抖動原理

當(dāng)我們需要進(jìn)行較復(fù)雜的電路設(shè)計時，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，可以針對引入的某個或幾個信號進(jìn)行去抖動處理，使設(shè)計得到簡化。當(dāng)信號輸入CPLD時，首先進(jìn)行去抖動處理，形成規(guī)范的脈沖波形后再進(jìn)行后續(xù)信號處理。

無論是在模擬電路中還是在數(shù)字電路中形成的信號邊沿的抖動，最終在送入CPLD的數(shù)字脈沖信號上都有相同的表現(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進(jìn)行邊沿去抖動處理。由于信號頻段不同，抖動時間也會不同，正確處理的前提條件：(1)信號邊沿抖動時間小于信號周期的四分之一;(2)信號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)，第二條是保證抖動范圍可靠界定。對于頻率未知情況，可以對頻率進(jìn)行分段，配合少量軟件編程，針對信號頻段可以進(jìn)行智能分段處理。

具體實(shí)現(xiàn)時，設(shè)置三個觸發(fā)器：上升沿檢測觸發(fā)器B、下降沿觸發(fā)器C以及波門定時觸發(fā)器D。其中，上升沿觸發(fā)器是在信號上升沿到來時變成高電平，下降沿觸發(fā)器是在信號下降沿到來時變成高電平，抖動定時觸發(fā)器當(dāng)前兩個觸發(fā)器是在前兩個觸發(fā)器之一變成高電平時變成高電平。前兩個觸發(fā)器在抖動定時觸發(fā)器清零時同時被清零，而抖動定時觸發(fā)器清零時間由信號頻率對應(yīng)邊沿抖動范圍決定。時序如圖4所示。其中，為觀察方便，下降沿觸發(fā)器變成高電平的時間拖后了一些。由圖可見，輸入信號在前后沿均有雜亂的毛刺，用常規(guī)方法消除這種抖動很困難，模擬去抖動方法無能為力，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潔。

A信號第一次電平變化時(t1時刻)，出現(xiàn)上升沿，B觸發(fā)器開始觸發(fā)，同時引發(fā)D觸發(fā)器觸發(fā)，第一次下降沿到來時(即第一個毛刺，t2時刻)，C觸發(fā)器觸發(fā)，在設(shè)定定時范圍內(nèi)，三個觸發(fā)器均保持不變。定時結(jié)束時(t3時刻)，D觸發(fā)器被清零，同時使B和C觸發(fā)器清零。從上面可以看出來，只要t3時刻不超過t4時刻則不破壞原來信號的正負(fù)區(qū)間。

在A信號實(shí)際下降沿到來時刻(t4時刻)，相當(dāng)于定時觸發(fā)器清零后第一次下降沿到來時刻，此時C觸發(fā)器又受到觸發(fā)，同時引發(fā)D觸發(fā)器觸發(fā)。B觸發(fā)器在第一個毛刺到來時刻(t5時刻)得到觸發(fā)，與前面相同。在這次定時沒有結(jié)束前三個觸發(fā)器變成不變，直到定時結(jié)束時刻(t6時刻)，三個觸發(fā)器同時被清零。余下依此類推。

圖4　去抖動電路時序圖

最后，我們來看一下D觸發(fā)器波形，它在A信號正半周期間正負(fù)變化一次，在A信號負(fù)半周期間正負(fù)再變化一次，因此，只需用D觸發(fā)器的上升沿來觸發(fā)E信號，即可準(zhǔn)確的恢復(fù)出沒有抖動的A信號來，如圖所示。如果A信號是周期信號，則E信號就是D信號的二分頻信號(注意用信號本身與D信號來對齊正半周就行)。

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

當(dāng)信號頻率變化(或根本不是周期信號，只是一個個脈沖群)時，只要設(shè)置的波門定時范圍滿足前面提出的兩個條件，則仍然可以適用。如果在多倍頻程變化時，由于信號邊沿抖動寬度不一致，低端的抖動范圍可能已經(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。在輸入信號頻率完全未知的情況下，可以實(shí)際測量參數(shù)，根據(jù)最穩(wěn)定的情況來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)，自動選擇頻段參數(shù)以正確進(jìn)行去抖動處理。