基于FPGA的高速時鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)電路的實現(xiàn)
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2．1 超前滯后鑒相器
鑒相器使用可以識別輸入信號連0和連1的超前滯后鑒相器，具體電路如圖3所示。利用四個D觸發(fā)器對輸入信號Din采樣產(chǎn)生s1、s2、s3三個信號，如果s2=s3≠s1，則表示時鐘超前，up-down為高電平；如果s1=s2≠s3，則表示時鐘滯后，up-down為低電平；當輸入信號連0或連1時s1=s2=s3，valid為低電平，此時up-down無效。這兩個信號都必須用時鐘信號進行同步產(chǎn)生，否則電路可能由于s1、s2、s3的延遲差而進入一種死鎖狀態(tài)。這種鑒相器只有超前或滯后兩種狀態(tài)，如果直接將其輸出用作控制時鐘相位的調(diào)整，則時鐘切換會過于頻繁，而且輸入信號中的毛刺會引起誤操作。所以將其輸出信號送給up-down計數(shù)模塊，進行一段時間的積累后，再產(chǎn)生用于控制時鐘相位的信號。本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/191906.htm
2．2 up-down計數(shù)器模塊
計數(shù)器模塊的功能是在鑒相器送來的信號控制下進行計數(shù)，產(chǎn)生相位調(diào)整的控制信號。計數(shù)器的初始值為M，當輸入信號valid為高電平時，判斷up-down信號。如果該信號為1，則計數(shù)器加計數(shù)，否則減計數(shù)。當計數(shù)器的值為2M時，early產(chǎn)生高電平脈沖；當為0時，later產(chǎn)生高電平脈沖。
2．3 時鐘產(chǎn)生調(diào)整模塊
2．3．1 電路結(jié)構(gòu)
時鐘產(chǎn)生調(diào)整模塊的主要功能是產(chǎn)生和輸入信號頻率相同的時鐘信號，并根據(jù)相位判斷模塊發(fā)送過來的控制信號，不斷地調(diào)整輸出時鐘相位，使得輸出時鐘的上升沿維持在輸入信號中間位置，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。不同相位的同頻時鐘是利用EP2C5T144C6 中的鎖相環(huán)產(chǎn)生的，由于課題項目的需要，1個片子內(nèi)部必須含有2個時鐘恢復(fù)電路，受到全局時鐘數(shù)目的限制，采用6個時鐘信號進行切換。在該模塊電路設(shè)計設(shè)置6個狀態(tài)，每一狀態(tài)對應(yīng)某一相位的時鐘信號。當檢測到early信號為高電平時，狀態(tài)就跳變到比當前時鐘信號相位提前1個相位的狀態(tài)上(若相位超前則再繼續(xù)超前)，而當later信號為高電平時跳變到比當前時鐘信號滯后1個相位的狀態(tài)上去(相位滯后則繼續(xù)滯后)，然后再根據(jù)當前的狀態(tài)選擇相應(yīng)的時鐘信號，作為當前工作時鐘即輸出時鐘信號Rclk。
2．3．2 時鐘切換
采用時鐘切換實現(xiàn)該相位調(diào)整，首要問題就是必須消除時鐘切換時產(chǎn)生的毛刺，因此所有子電路都采用恢復(fù)出來的時鐘信號作為其工作時鐘，這樣所有的時鐘切換情況都可用圖5表示。假定此時的工作時鐘為clk＿l，只要能夠保證時鐘切換避開上面的陰影區(qū)域，而是處在上圖中的紅色區(qū)域，則無論是時鐘向前還是向后切換，都不會出現(xiàn)毛刺。以工作頻率為200MHz計算，每段紅色區(qū)域大約為1．6ns，而Altera中的LE單元延遲大約為0．23ns，所以采用buffer彌補延遲完全可以使時鐘切換發(fā)生在合適的位置。
2．3．3 時鐘相位偏移的補償
該電路結(jié)構(gòu)的另一關(guān)鍵是必須保證不同相位時鐘信號經(jīng)過時鐘判斷調(diào)整模塊后，它們之間的相位關(guān)系不會因延遲的不同而失效而必須仍然成立，否則就會導致相位調(diào)整過大或過小，電路會因此變得不穩(wěn)定。電路延遲由門延遲和連線延遲組成。對于連線延遲在AlteraCyclone II中只要兩個LE之間的連線類型相同，延遲也就相同，而每個LAB中有16個LE也有16個LOCAL LINE布線資源，因此同一個LAB 中LE之間的互連線延遲都是相同的。對于門延遲，在Cyclone II中每個LE有A、B、C、D四個輸入端，各端口延遲不同。首先通過在某些路徑上插入buffer，使得所有時鐘信號經(jīng)過的LE的數(shù)目相同。然后再在3個時鐘信號中各插入一個buffer，再根據(jù)最終的布線情況，調(diào)整這3個buffer的端口連接，就可以使得各時鐘信號經(jīng)過的門延遲基本相同。除了上述兩種方法，在應(yīng)用中使用了Quartus II的logiclock功能，按照設(shè)計的需要將同一功能模塊的邏輯放在相同的LAB中，這樣可以使連線延遲對電路的影響降到最小。同時利用該功能也可以直接將調(diào)整好的時鐘恢復(fù)電路應(yīng)用于整個通信系統(tǒng)中，使得其他電路的布局布線不會對該電路產(chǎn)生影響。
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