FPGA在高精度脈寬測量系統(tǒng)中的應用
脈沖計數(shù)法的精度也可以通過有效的方式予以提高，其思路如下：首先可以將計數(shù)時鐘的頻率予以提高，其次則是通過時幅轉換技術對誤差予以降低。測量誤差會隨著時鐘頻率的的提高而減小，但是頻率提高，相對便會對芯片的要求有所提高。例如，若測量誤差要求為1ns 時，其時鐘頻率必須達到1GHz，一般的計數(shù)芯片在這種狀態(tài)下無法正常工作，并且電路板布線以及加工和材料選擇都會成為難題。而使用時幅轉換技術就無需對時鐘頻率有所要求，但是該種方式使用了模擬電路，若是待測頻率相對較高，那么測量結果很容易受到噪聲的干擾，并且若要求是對信號脈寬進行連續(xù)測量，那么電路能否快速反應是該方式需要解決的一大弊病。
而同上述兩種方式都不相同的是，文章論述了一種新型的方式，通過數(shù)字移相的方式，對脈寬測量精度予以提高。該方式采用FPGA 芯片，實現(xiàn)了高精度脈寬測量。
1.測量原理
兩路同頻信號以一路作為參考，將另一路以該路信號作為參考，進行滯后或者超前的移動，從而形成相應的相位差，這邊是移相。該種測量方式通常使用延時方法，通過對兩數(shù)字信號之間產生的相位差以延時長短進行決定，這種測量原理的基礎即數(shù)字移相技術。原始計數(shù)時鐘信號CLK0 通過移相后得到CLK90、CLK180、CLK270。相位之間依次相差90°，通過這四路時鐘信號對四個相同計數(shù)器進行同時驅動，從而完成信號計數(shù)。
2.系統(tǒng)實現(xiàn)
計數(shù)時鐘之間所具有的相位差是該系統(tǒng)保持正常運行的基礎，原始時鐘頻率通常所具有的頻率一般較高，頻率接100MHz，而周期也大于10ns 而小于20ns，所以即便是存在延遲時間也僅僅只有幾ns；另外，為了避免由于傳送延遲而對電路板芯片造成不利影響，必須保證系統(tǒng)的柔性以及穩(wěn)定和精度。文章通過對可編程門陣列，對測量方法予以實現(xiàn)。通過下圖的分析可以看出，測量結果最終被送入到FIFO 緩存，從而在處理速度上可以有效得以提高，最終通過PLC總線完成數(shù)據(jù)的傳送。
各個模塊之間的時序需要予以協(xié)調控制，而通過邏輯控制則可以有效的得以時間，并使得系統(tǒng)能夠正常運行。而FIFO 緩沖模塊是在FPGA 芯片中予以實現(xiàn)，另外，邏輯控制也是在該芯片中予以實現(xiàn)的。
SpartanII 系列相對于其他的FPGA 芯片性價比相對較高。并且運行頻率最高而已達到200MHz，這里芯片選用的是XC2S15-6 以此保證時鐘信號不會出現(xiàn)始終外協(xié)以及延時傳送；并且在時鐘信號的控制上也相對較為方便，例如時鐘信號的分頻以及倍頻和移相。另外通過DLL 功能可以實現(xiàn)移相計數(shù)模塊的快速構建，從而實現(xiàn)上述文章中介紹的幾種測量方式。通過DLL 處理后的原始時鐘可以得到相差為90°的四組相位，即SLD0、CLK90以及CLK180和CLK270，最后計算出信號脈寬值。
3.仿真分析以及精度分析
通過給出內部的布線，實現(xiàn)芯片的方針結果，其仿真結果用Modelsim實現(xiàn)。在RESET 后對計數(shù)模塊進行啟動，繼而開始測量待測信號，測量后會產生READY 信號，同時將測量后的結果輸出，為后續(xù)的測量計算以及分析提供基礎信息，通過仿真實驗可以證明系統(tǒng)可以達到目標要求。
然后進一步對系統(tǒng)進行誤差分析，系統(tǒng)測量脈寬測量會出現(xiàn)誤差的原因主要是因為系統(tǒng)原理誤差TS、時鐘相移誤差Tp 和信號延遲誤差Td 以及計數(shù)時鐘抖晃Tc 等多項誤差的存在。通過上面的分析可以看出，若時鐘輸入過程中晶振為80MHz 時，得出的誤差量為3.125ns。時鐘相移誤差是四路相位-偏移產生的信號本身，該信號從SLKDLL 中分離，依照芯片參數(shù)，最大的相移誤差可以達到200ps。
通過分析計算可以得出結果：分別可以得到計數(shù)時鐘到各自計數(shù)器的延遲時間，控制計數(shù)器啟動停止的HF 信號到四個計數(shù)器的時間。由于需要的是各計數(shù)時鐘間相對延遲時間，故還能得到時鐘相對于HF信號到計數(shù)器的延遲。
數(shù)字移相技術是目前我們應用在脈寬測量上的基礎，在此基礎上文章提出了一種精度更高的測量系統(tǒng)，這種方式不同于脈沖計數(shù)的方式，在精度上更是高出脈沖計數(shù)數(shù)倍。而該種方式的測量精度還能夠繼續(xù)予以提升，主要可以通過以下兩方面予以完善：首先將晶振頻率繼續(xù)提高，將FPGA 芯片的速度提升的更快。著也是因為系統(tǒng)原理誤差會受到晶振頻率的影響，晶振頻率越高，其誤差值就會越小。其次，是對信號延遲誤差予以降低。通過前面的分析可以看出，系統(tǒng)精度會受到信號延遲誤差的影響。通過減少計數(shù)器以及技術時鐘的信號延遲差異，能夠將測量精度有效提高。另外在FPGA芯片中，信號延遲的時間能夠方便的得到，所以，設計過程中只需要將內部元件的位置以及連線予以調整便可以對延遲誤差進行調整，或者通過增加一些門電路，從而令信號延遲時間保持一致。
參考文獻
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