時(shí)域反射儀的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)----關(guān)鍵電路設(shè)計(jì)(一)

3.1.2.1脈沖延時(shí)原理

FPGA內(nèi)部的PLL資源具有時(shí)鐘信號(hào)的相位偏移的功能，假如PLL的輸入為250M的時(shí)鐘信號(hào)，通過(guò)180度的相移后，輸出時(shí)鐘信號(hào)被反相，相當(dāng)于將時(shí)鐘信號(hào)向前或向后移動(dòng)了2ns，如果脈沖信號(hào)的上升沿和PLL的輸入時(shí)鐘信號(hào)的相對(duì)位置不變，則分別利用變換前后的時(shí)鐘信號(hào)作為采樣時(shí)鐘，采樣率即被等效成了500MSPS.同理如果通過(guò)步進(jìn)為72度的相移后，可以達(dá)到1.25G的等效采樣率。

其它幾種情況也可以推算出來(lái)。實(shí)際上，F(xiàn)PGA內(nèi)部的鎖相環(huán)資源很有限，只有兩個(gè)PLL，并且PLL控制器內(nèi)部時(shí)鐘相位移位是一次設(shè)定成功的，即具有一次性的功能如果要修改，就必須從新編譯、下載，因此不能通過(guò)PLL來(lái)實(shí)現(xiàn)延時(shí)的控制。經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)和論證，采用了一種類似游標(biāo)卡尺的方法實(shí)現(xiàn)了步進(jìn)延時(shí)的作用。

游標(biāo)卡尺是由毫米分度值的主尺和一段能滑動(dòng)的游標(biāo)副尺構(gòu)成，它能夠把mm位下一位的估讀數(shù)較準(zhǔn)確地讀出來(lái)，因而具有非常高的測(cè)量準(zhǔn)確度，目前其讀數(shù)準(zhǔn)確度有0.1mm、0.05mm和0.02mm三種。以0.02mm的測(cè)量準(zhǔn)確度為例，游標(biāo)副尺上有50個(gè)分格，它和主尺上的49個(gè)分格的總長(zhǎng)度相等，一般主尺上每一分格的長(zhǎng)度為1mm，游標(biāo)上每一個(gè)分格的長(zhǎng)度為0.98mm，則有50*0.98=49，主尺上每一分格與游標(biāo)上每一分格的差值為1/50(mm)。當(dāng)游標(biāo)尺的零刻線與主尺上的零刻線對(duì)齊時(shí)，此時(shí)只有游標(biāo)尺上的第50條刻線與主尺上的第49條對(duì)齊，其它均不對(duì)齊。主尺和游標(biāo)尺上對(duì)應(yīng)的一等份差值(0.02mm)，是游標(biāo)卡尺的最小讀數(shù)，即游標(biāo)卡尺的分度值叫精確度，它體現(xiàn)了測(cè)量的準(zhǔn)確程度，游標(biāo)卡尺正是利用主尺和游標(biāo)尺上每一小格之差，來(lái)達(dá)到提高精確度的目的，這種方法叫示差法。

游標(biāo)卡尺上的刻度都是等間隔的刻度，與數(shù)字信號(hào)里面的時(shí)鐘信號(hào)非常相似，可以把兩個(gè)周期時(shí)鐘信號(hào)當(dāng)作游標(biāo)卡尺的刻度來(lái)使用。由于在時(shí)域反射測(cè)量模式下，最大等效采樣為5GSPS，即最小步進(jìn)為0.2ns，因此將0.2ns定義為這兩個(gè)時(shí)鐘信號(hào)的周期差。如果以250M的時(shí)鐘信號(hào)作為主尺刻度，則游標(biāo)時(shí)鐘信號(hào)的周期為4ns﹣0.2ns=3.8ns，對(duì)應(yīng)大約263M的時(shí)鐘信號(hào)。這樣每隔20個(gè)4ns的周期就會(huì)對(duì)應(yīng)大約21個(gè)3.8ns的周期信號(hào)。由于263M的時(shí)鐘信號(hào)必須通過(guò)PLL來(lái)實(shí)現(xiàn)，而PLL又要實(shí)現(xiàn)250M的信號(hào)，且263M的時(shí)鐘信號(hào)通過(guò)單個(gè)PLL的內(nèi)部鎖相功能基本無(wú)法實(shí)現(xiàn)，且在FPGA內(nèi)部運(yùn)行250M以上的信號(hào)，計(jì)數(shù)上容易產(chǎn)生錯(cuò)誤。

經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，將50M的時(shí)鐘信號(hào)作為主尺，則游標(biāo)的周期為19.8ns，對(duì)應(yīng)了約為50.5M的時(shí)鐘信號(hào)，用這兩個(gè)時(shí)鐘信號(hào)做比較非常合適。因?yàn)?0M的時(shí)鐘信號(hào)和250M的時(shí)鐘信號(hào)成倍數(shù)關(guān)系，所以50M的時(shí)鐘信號(hào)的前沿相對(duì)于25OM的時(shí)鐘信號(hào)基本上是不變的。如果做與50M的時(shí)鐘信號(hào)的相對(duì)延時(shí)，實(shí)際上也就是與250M時(shí)鐘信號(hào)的相對(duì)延時(shí)。

3.1.2.2脈沖延時(shí)實(shí)現(xiàn)

為了實(shí)現(xiàn)最小0.2ns的時(shí)間延時(shí)，理論上應(yīng)該將采樣點(diǎn)相后移動(dòng)0.2ns的間隔，前面已經(jīng)討論過(guò)該方法基本行不通。我們知道，移位是相對(duì)的，即被采樣信號(hào)位置不變，而將采樣時(shí)鐘向后移動(dòng)，與將被采樣信號(hào)向前移動(dòng)，而采樣時(shí)鐘保持不變，這兩種方法在結(jié)果上都是一樣的。50M的時(shí)鐘信號(hào)和50.5M的時(shí)鐘信號(hào)。兩者周期相差0.2ns左右，由于50M的周期為20ns，即有20ns*99=19.8ns*100，表示這兩個(gè)時(shí)鐘信號(hào)每隔1.980us上升沿對(duì)齊一次，對(duì)齊之后，每經(jīng)過(guò)一個(gè)小的時(shí)鐘以后，50.5M的時(shí)鐘信號(hào)上升沿比對(duì)應(yīng)的50M的時(shí)鐘信號(hào)上升沿向前移動(dòng)0.2ns，依此類推，經(jīng)過(guò)N個(gè)時(shí)鐘以后，50.5M的時(shí)鐘信號(hào)上升沿比對(duì)應(yīng)50M的時(shí)鐘信號(hào)上升沿向前移動(dòng)0.2ns*N的距離。如圖4一4所示。

從圖4.4可以看出，如果將50M的時(shí)鐘信號(hào)作為采樣時(shí)鐘，將50.5M的時(shí)鐘信號(hào)作為被采樣信號(hào)，由于被采樣信號(hào)的重復(fù)性，將依次采集到的點(diǎn)數(shù)做順序拼合，則相當(dāng)于對(duì)被采樣信號(hào)進(jìn)行間隔為0.2ns的采樣。