摘 要：文章介紹的方式中主要采用了當(dāng)前世界上最先進(jìn)的FPGA芯片，由著名的XILINX公司設(shè)計(jì)出品。通過(guò)該芯片的應(yīng)用設(shè)計(jì)出了一種高精度的脈寬測(cè)量系統(tǒng)，以此將脈寬測(cè)量引入了數(shù)字化的方向，并在此基礎(chǔ)上提出了完整的精度分析系統(tǒng)以及仿真結(jié)果分析系統(tǒng)。同普通傳統(tǒng)的脈沖計(jì)數(shù)的方式相比較，該方式能夠?qū)⒄`差控制在最低的范圍，僅為傳統(tǒng)方式的34.2%。

關(guān)鍵詞：脈寬測(cè)量；FPGA；數(shù)字移相

測(cè)量領(lǐng)域以及儀表儀器領(lǐng)域中，對(duì)數(shù)字信號(hào)的測(cè)量主要便是對(duì)其信號(hào)脈沖寬度進(jìn)行測(cè)量。目前使用最多的方式便是脈沖計(jì)數(shù)的方式，即通過(guò)高頻時(shí)鐘脈沖在待測(cè)信號(hào)的低電平處或者高電平處進(jìn)行計(jì)數(shù)，然后依照脈沖數(shù)量，通過(guò)計(jì)算的方式得到信號(hào)寬度，待測(cè)信號(hào)獨(dú)立于計(jì)數(shù)時(shí)鐘，其信號(hào)的上升以及下降沿?zé)o法同時(shí)鐘邊沿準(zhǔn)確的吻合，所以，該方式得到的誤差最大值可以達(dá)到一個(gè)時(shí)鐘周期。例如，若是高頻時(shí)鐘為80MHz，那么其最大的誤差量可以達(dá)到12.5ns。

脈沖計(jì)數(shù)法的精度也可以通過(guò)有效的方式予以提高，其思路如下：首先可以將計(jì)數(shù)時(shí)鐘的頻率予以提高，其次則是通過(guò)時(shí)幅轉(zhuǎn)換技術(shù)對(duì)誤差予以降低。測(cè)量誤差會(huì)隨著時(shí)鐘頻率的的提高而減小，但是頻率提高，相對(duì)便會(huì)對(duì)芯片的要求有所提高。例如，若測(cè)量誤差要求為1ns時(shí)，其時(shí)鐘頻率必須達(dá)到1GHz，一般的計(jì)數(shù)芯片在這種狀態(tài)下無(wú)法正常工作，并且電路板布線以及加工和材料選擇都會(huì)成為難題。而使用時(shí)幅轉(zhuǎn)換技術(shù)就無(wú)需對(duì)時(shí)鐘頻率有所要求，但是該種方式使用了模擬電路，若是待測(cè)頻率相對(duì)較高，那么測(cè)量結(jié)果很容易受到噪聲的干擾，并且若要求是對(duì)信號(hào)脈寬進(jìn)行連續(xù)測(cè)量，那么電路能否快速反應(yīng)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(guò)數(shù)字移相的方式，對(duì)脈寬測(cè)量精度予以提高。該方式采用FPGA芯片，實(shí)現(xiàn)了高精度脈寬測(cè)量。

1 測(cè)量原理

兩路同頻信號(hào)以一路作為參考，將另一路以該路信號(hào)作為參考，進(jìn)行滯后或者超前的移動(dòng)，從而形成相應(yīng)的相位差，這邊是移相。該種測(cè)量方式通常使用延時(shí)方法，通過(guò)對(duì)兩數(shù)字信號(hào)之間產(chǎn)生的相位差以延時(shí)長(zhǎng)短進(jìn)行決定，這種測(cè)量原理的基礎(chǔ)即數(shù)字移相技術(shù)。原始計(jì)數(shù)時(shí)鐘信號(hào)CLK0通過(guò)移相后得到CLK90、CLK180、CLK270。相位之間依次相差90°，通過(guò)這四路時(shí)鐘信號(hào)對(duì)四個(gè)相同計(jì)數(shù)器進(jìn)行同時(shí)驅(qū)動(dòng)，從而完成信號(hào)計(jì)數(shù)。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

計(jì)數(shù)時(shí)鐘之間所具有的相位差是該系統(tǒng)保持正常運(yùn)行的基礎(chǔ)，原始時(shí)鐘頻率通常所具有的頻率一般較高，頻率接近100MHz，而周期也大于10ns而小于20ns，所以即便是存在延遲時(shí)間也僅僅只有幾ns；另外，為了避免由于傳送延遲而對(duì)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(guò)對(duì)可編程門(mén)陣列，對(duì)測(cè)量方法予以實(shí)現(xiàn)。通過(guò)下圖的分析可以看出，測(cè)量結(jié)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(guò)PLC總線完成數(shù)據(jù)的傳送。

各個(gè)模塊之間的時(shí)序需要予以協(xié)調(diào)控制，而通過(guò)邏輯控制則可以有效的得以時(shí)間，并使得系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行。而FIFO緩沖模塊是在FPGA芯片中予以實(shí)現(xiàn)，另外，邏輯控制也是在該芯片中予以實(shí)現(xiàn)的。

SpartanII系列相對(duì)于其他的FPGA芯片性價(jià)比相對(duì)較高。并且運(yùn)行頻率最高而已達(dá)到200MHz，這里芯片選用的是XC2S15-6以此保證時(shí)鐘信號(hào)不會(huì)出現(xiàn)始終外協(xié)以及延時(shí)傳送；并且在時(shí)鐘信號(hào)的控制上也相對(duì)較為方便，例如時(shí)鐘信號(hào)的分頻以及倍頻和移相。另外通過(guò)DLL功能可以實(shí)現(xiàn)移相計(jì)數(shù)模塊的快速構(gòu)建，從而實(shí)現(xiàn)上述文章中介紹的幾種測(cè)量方式。通過(guò)DLL處理后的原始時(shí)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(jì)算出信號(hào)脈寬值。

3 仿真分析以及精度分析

通過(guò)給出內(nèi)部的布線，實(shí)現(xiàn)芯片的方針結(jié)果，其仿真結(jié)果用Modelsim實(shí)現(xiàn)。在RESET后對(duì)計(jì)數(shù)模塊進(jìn)行啟動(dòng)，繼而開(kāi)始測(cè)量待測(cè)信號(hào)，測(cè)量后會(huì)產(chǎn)生READY信號(hào)，同時(shí)將測(cè)量后的結(jié)果輸出，為后續(xù)的測(cè)量計(jì)算以及分析提供基礎(chǔ)信息，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)可以證明系統(tǒng)可以達(dá)到目標(biāo)要求。

然后進(jìn)一步對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行誤差分析，系統(tǒng)測(cè)量脈寬測(cè)量會(huì)出現(xiàn)誤差的原因主要是因?yàn)橄到y(tǒng)原理誤差TS、時(shí)鐘相移誤差Tp和信號(hào)延遲誤差Td以及計(jì)數(shù)時(shí)鐘抖晃Tc等多項(xiàng)誤差的存在。通過(guò)上面的分析可以看出，若時(shí)鐘輸入過(guò)程中晶振為80MHz時(shí)，得出的誤差量為3.125ns。時(shí)鐘相移誤差是四路相位-偏移產(chǎn)生的信號(hào)本身，該信號(hào)從SLKDLL中分離，依照芯片參數(shù)，最大的相移誤差可以達(dá)到200ps。

通過(guò)分析計(jì)算可以得出結(jié)果：分別可以得到計(jì)數(shù)時(shí)鐘到各自計(jì)數(shù)器的延遲時(shí)間，控制計(jì)數(shù)器啟動(dòng)停止的HF信號(hào)到四個(gè)計(jì)數(shù)器的時(shí)間。由于需要的是各計(jì)數(shù)時(shí)鐘間相對(duì)延遲時(shí)間，故還能得到時(shí)鐘相對(duì)于HF信號(hào)到計(jì)數(shù)器的延遲。

數(shù)字移相技術(shù)是目前我們應(yīng)用在脈寬測(cè)量上的基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上文章提出了一種精度更高的測(cè)量系統(tǒng)，這種方式不同于脈沖計(jì)數(shù)的方式，在精度上更是高出脈沖計(jì)數(shù)數(shù)倍。而該種方式的測(cè)量精度還能夠繼續(xù)予以提升，主要可以通過(guò)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?yàn)橄到y(tǒng)原理誤差會(huì)受到晶振頻率的影響，晶振頻率越高，其誤差值就會(huì)越小。其次，是對(duì)信號(hào)延遲誤差予以降低。通過(guò)前面的分析可以看出，系統(tǒng)精度會(huì)受到信號(hào)延遲誤差的影響。通過(guò)減少計(jì)數(shù)器以及技術(shù)時(shí)鐘的信號(hào)延遲差異，能夠?qū)y(cè)量精度有效提高。另外在FPGA芯片中，信號(hào)延遲的時(shí)間能夠方便的得到，所以，設(shè)計(jì)過(guò)程中只需要將內(nèi)部元件的位置以及連線予以調(diào)整便可以對(duì)延遲誤差進(jìn)行調(diào)整，或者通過(guò)增加一些門(mén)電路，從而令信號(hào)延遲時(shí)間保持一致。

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