|
1 引言 利用硬件描述語言結合可編程邏輯器件(PLD)可以極大地方便數字集成電路的設計，本文介紹一種利用VHDL硬件描述語言結合現場可編程門陣列(FPGA)設計的數控延時器，延時器在時鐘clk的作用下，從8位數據線輸入延時量，到LATCH高電平時鎖存數據，可以實現對觸發脈沖TRIG的任意量的延時。由于延時范圍不同，設計所用到的FPGA的資源也不同，本文詳細介紹最大延時量小于觸發脈沖周期的情況。該延時器的軟件編程和調試均在MuxplusⅡ環境下完成，系統設計選用Altera公司的EPFl0K30AQC208-3，EPCI44l型專用電路，與DSP相結合，應用于雷達目標模擬器的控制部分，實現對目標距離的模擬。 2 設計原理 筆者設計的數控延時器采用3個串聯計數器來實現。由于在觸發脈沖TRIG的上升沿開始延時，使用時鐘的上升沿計數，考慮到VHDL對時鐘描述的限制，設計采用計數器l產生同步脈沖SYNC，寬度為Tclk，利用SYNC的高電平觸發cflag，并在延時結束后cflag清零；計數器2計算延時的長度；計數器3計算所要產生的輸出脈沖OUTPUT的脈寬，并在計數結束時對計數器2和計數器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。整個電路的設計采用同步時鐘計數以盡量減少因局部時鐘不穩定所產生的毛刺和競爭冒險。 該數控延時器低電平時鎖存數據，高電平時改變內部寄存器的數值(與AD9501型數控延時器的數據鎖存端電平相反)。一般情況下，觸發脈沖與時鐘的上升沿是一致的，如果輸入的觸發脈沖與時鐘不一致，則整個電路的延時將產生一定的誤差。時序仿真如圖3所示，延時量由dlyLH為高電平時數據總線data8上的數據決定。 該數控延時器的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為開始計數的標志，該段程序在觸發脈沖的周期大于256xTclk時，最大延時量為256×Tclk，如果觸發脈沖周期小于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脈沖的頻率并不相同，譬如在設計雷達目標模擬器時要求延時后產生一連串的7分頻時鐘，時序如圖4所示(延時后產生11個7分頻的脈沖，占空比為2：5)。 要產生上述觸發脈沖，只需改變計數器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 延時范圍小于觸發脈沖周期 這種情況只需增加數據輸入端的位數，不過一般情況下，數據輸入端位數是固定的，這時可以在FPGA的內部定義多位的數據寄存器。以延時范圍為224xTclk為例，在FPGA內部定義24位的數據寄存器，并定義3條地址線dlyLHl、dlyLH2和dlyLH3，通過8位數據總線分3次向數據寄存器送數，送數時間應在前一脈沖延時結束之后與下一脈沖到來之前。數據送入寄存器的程序如下： 3.2 延時范圍大于觸發脈沖周期 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分頻并產生4路分頻后的信號。在FPGA內部設計4個延時電路，SYNCl、SYNC2、SYNC3、SYNCA分別作為4個延時電路的觸發信號，每個延時電路仿照第一種延時范圍的設計方法，輸出觸發脈沖通過4個或門送到輸出端OUTPUT。值得注意的是每個延時電路內部都要定義1個與DATAREG位數相同的數據寄存器，延時數據在延時開始時送入內部寄存器。使用多路延時合并方法最關鍵的是要產生準確的分頻脈沖，如果產生的脈沖有毛刺，或者電路在設計的時候存在冒險，整個延時系統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環境下從輸入時鐘Tclk到dlytrig的延時為8.2 ns；產生SYNC的寬度為Tclk。因此在觸發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，觸發脈沖的上升沿與時鐘的上升沿并不是一致的，根據二者之間的關系可知，最大延時誤差T滿足：O 由于該數控延時器使用時鐘來計數，因此延時量只能為Tclk的整數倍。如果設計者希望有更精確的延時，可以在設計的基礎上外加一片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 結束語 本文詳細介紹了利用VHDL硬件描述語言結合FPGA設計一種數控延時器的方法，討論了延時范圍,分析了延時誤差，該延時器的設計旨在和DSP相結合實現對延時信號的處理。隨著EDA技術的飛速發展，使用硬件描述語言設計FPGA是電子設計人員應該掌握的一門技術。同時，將DSP和FPGA技術相結合是進行數字信號處理的一種趨勢。 |
