基于現(xiàn)場可編程門陣列的數(shù)控延時器的設(shè)計

　　l 引言

　　利用硬件描述語言結(jié)合可編程邏輯器件(PLD)可以極大地方便數(shù)字集成電路的設(shè)計，本文介紹一種利用VHDL硬件描述語言結(jié)合現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)設(shè)計的數(shù)控延時器，延時器在時鐘clk的作用下，從8位數(shù)據(jù)線輸入延時量，到LATCH高電平時鎖存數(shù)據(jù)，可以實現(xiàn)對觸發(fā)脈沖TRIG的任意量的延時。由于延時范圍不同，設(shè)計所用到的FPGA的資源也不同，本文詳細介紹最大延時量小于觸發(fā)脈沖周期的情況。該延時器的軟件編程和調(diào)試均在MuxplusⅡ環(huán)境下完成，系統(tǒng)設(shè)計選用Altera公司的EPFl0K30AQC208-3，EPCI44l型專用電路，與DSP相結(jié)合，應用于雷達目標模擬器的控制部分，實現(xiàn)對目標距離的模擬。

　　2 設(shè)計原理

　　筆者設(shè)計的數(shù)控延時器采用3個串聯(lián)計數(shù)器來實現(xiàn)。由于在觸發(fā)脈沖TRIG的上升沿開始延時，使用時鐘的上升沿計數(shù)，考慮到VHDL對時鐘描述的限制，設(shè)計采用計數(shù)器l產(chǎn)生同步脈沖SYNC，寬度為Tclk，利用SYNC的高電平觸發(fā)cflag，并在延時結(jié)束后cflag清零;計數(shù)器2計算延時的長度;計數(shù)器3計算所要產(chǎn)生的輸出脈沖OUTPUT的脈寬，并在計數(shù)結(jié)束時對計數(shù)器2和計數(shù)器3清零。延時器的外部接口電路如圖1所示，原理框圖如圖2所示。整個電路的設(shè)計采用同步時鐘計數(shù)以盡量減少因局部時鐘不穩(wěn)定所產(chǎn)生的毛刺和競爭冒險。

　　該數(shù)控延時器低電平時鎖存數(shù)據(jù)，高電平時改變內(nèi)部寄存器的數(shù)值(與AD9501型數(shù)控延時器的數(shù)據(jù)鎖存端電平相反)。一般情況下，觸發(fā)脈沖與時鐘的上升沿是一致的，如果輸入的觸發(fā)脈沖與時鐘不一致，則整個電路的延時將產(chǎn)生一定的誤差。時序仿真如圖3所示，延時量由dlyLH為高電平時數(shù)據(jù)總線dATA8上的數(shù)據(jù)決定。

　　該數(shù)控延時器的VHDL硬件描述語言程序如下：

　　在該程序中，cntl為延時量，cnt2為輸出脈沖的寬度，cflag為開始計數(shù)的標志，該段程序在觸發(fā)脈沖的周期大于256xTclk時，最大延時量為256×Tclk，如果觸發(fā)脈沖周期小于256xTclk，則最大延時量為Tclk-Toutput(Toutput為輸出脈沖的寬度)。

　　事實上，在實際應用中，延時后的輸出脈沖與輸入的觸發(fā)脈沖的頻率并不相同，譬如在設(shè)計雷達目標模擬器時要求延時后產(chǎn)生一連串的7分頻時鐘，時序如圖4所示(延時后產(chǎn)生11個7分頻的脈沖，占空比為2：5)。

　　要產(chǎn)生上述觸發(fā)脈沖，只需改變計數(shù)器2的長度，并在程序中加入case判斷語句即可。

　　3 延時范圍討論

　　3.1 延時范圍小于觸發(fā)脈沖周期

　　這種情況只需增加數(shù)據(jù)輸入端的位數(shù)，不過一般情況下，數(shù)據(jù)輸入端位數(shù)是固定的，這時可以在FPGA的內(nèi)部定義多位的數(shù)據(jù)寄存器。以延時范圍為224xTclk為例，在FPGA內(nèi)部定義24位的數(shù)據(jù)寄存器，并定義3條地址線dlyLHl、dlyLH2和dlyLH3，通過8位數(shù)據(jù)總線分3次向數(shù)據(jù)寄存器送數(shù)，送數(shù)時間應在前一脈沖延時結(jié)束之后與下一脈沖到來之前。數(shù)據(jù)送入寄存器的程序如下：

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　　3.2 延時范圍大于觸發(fā)脈沖周期

　　這種情況在實際應用中比較廣泛，譬如在雷達模擬器的設(shè)計中，所模擬的目標的距離范圍一般都很大，因而輸出延時脈沖的延時量將大于1個觸發(fā)脈沖周期，這時在考慮到FPGA資源的前提下，可以采用多路延時合并的處理方法。以延時范圍小于4個周期為例，具體時序如圖5所示。

　　利用SYNC信號4分頻并產(chǎn)生4路分頻后的信號。在FPGA內(nèi)部設(shè)計4個延時電路，SYNCl、SYNC2、SYNC3、SYNCA分別作為4個延時電路的觸發(fā)信號，每個延時電路仿照第一種延時范圍的設(shè)計方法，輸出觸發(fā)脈沖通過4個或門送到輸出端OUTPUT。值得注意的是每個延時電路內(nèi)部都要定義1個與DATAREG位數(shù)相同的數(shù)據(jù)寄存器，延時數(shù)據(jù)在延時開始時送入內(nèi)部寄存器。使用多路延時合并方法最關(guān)鍵的是要產(chǎn)生準確的分頻脈沖，如果產(chǎn)生的脈沖有毛刺，或者電路在設(shè)計的時候存在冒險，整個延時系統(tǒng)有可能都不能正常工作。

　　4 延時誤差分析

　　以延時范圍小于觸發(fā)脈沖周期為例，分析固定延時及延時誤差。

　　該延時器在Muxplus Ⅱ環(huán)境下從輸入時鐘Tclk到dlytrig的延時為8.2 ns;產(chǎn)生SYNC的寬度為Tclk。因此在觸發(fā)脈沖上升沿與時鐘信號上升沿對時，該延時電路的固有延時為8.2 ns+2Tclk。但一般情況下，觸發(fā)脈沖的上升沿與時鐘的上升沿并不是一致的，根據(jù)二者之間的關(guān)系可知，最大延時誤差T滿足：O

　　由于該數(shù)控延時器使用時鐘來計數(shù)，因此延時量只能為Tclk的整數(shù)倍。如果設(shè)計者希望有更精確的延時，可以在設(shè)計的基礎(chǔ)上外加一片AD9501，該器件的延時可以精確到(Ttotal+Td)×1/28，其中Ttotal是AD9501的總延時，Td是AD9501的固有延時。

　　5 結(jié)束語

　　本文詳細介紹了利用VHDL硬件描述語言結(jié)合FPGA設(shè)計一種數(shù)控延時器的方法，討論了延時范圍,分析了延時誤差，該延時器的設(shè)計旨在和DSP相結(jié)合實現(xiàn)對延時信號的處理。隨著EDA技術(shù)的飛速發(fā)展，使用硬件描述語言設(shè)計FPGA是電子設(shè)計人員應該掌握的一門技術(shù)。同時，將DSP和FPGA技術(shù)相結(jié)合是進行數(shù)字信號處理的一種趨勢。