樊多盛，施韶華，李孝輝

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基于CPLD的高精度可調脈沖信號發(fā)生器研制

樊多盛1,2,3，施韶華1,2，李孝輝1,2

（1. 中國科學院國家授時中心，西安 710600；2. 中國科學院時間頻率基準重點實驗室，西安 710600；3. 中國科學院大學，北京 100049）

為滿足精密時間間隔測量設備的測試需要，研制了一種時間間隔可調的高精度脈沖信號發(fā)生器。利用計算機串口控制的方式，結合復雜可編程邏輯器件（CPLD）集成度高、可靠性好及工作速度快的優(yōu)點，采用Altera公司的設計軟件Quartus II進行設計仿真及實現(xiàn)。仿真與實測實驗表明，該脈沖信號發(fā)生器不僅可以產生單路可調脈沖信號，而且能產生多路可調脈沖信號，產生的單路秒脈沖信號的1s取樣Allan方差為1.84×10-11;產生的時間間隔為100 ns的多路脈沖信號的1s取樣Allan方差為2.36×10-11，2路信號之間的時間間隔數(shù)據(jù)系列的峰-峰值為101ps，可以滿足多通道時間間隔測量設備測試要求的穩(wěn)定度與準確度。

脈沖信號發(fā)生器；復雜可編程邏輯器件（CPLD）；時間間隔

0 引言

在評估測試多通道時間間隔測量設備時，需要一個穩(wěn)定性好準確度高的時間間隔可調的脈沖信號發(fā)生器[1-3]。然而，目前市場上大部分脈沖信號發(fā)生器的穩(wěn)定度與準確度及通道數(shù)量不滿足產生測試信號的要求。

本文研制的高精度可調脈沖信號發(fā)生器，是在外部提供參考信號（如常見的5，10，100 MHz等）的條件下，使用可編程邏輯器件CPLD實現(xiàn)的多路可調脈沖信號發(fā)生器，可為多通道時間間隔測量設備提供測試信號。

1 工作原理

脈沖信號發(fā)生器是基于預置累加計數(shù)器而產生的。在預置計數(shù)器中，當測量結果超出某個數(shù)值（基數(shù)）時，預置計數(shù)器將輸出一個電壓信號。首先給計數(shù)器設置一個基數(shù)，當外部周期性參考信號到來時，該計數(shù)器便開始累加計數(shù)，當計數(shù)值超出預置的基數(shù)時，便輸出一個脈沖信號。通過外部實時發(fā)送數(shù)據(jù)改變計數(shù)器的基數(shù)，即可實現(xiàn)頻率可調的單路脈沖信號。對于多路脈沖信號，是給計數(shù)器設置多個基數(shù)，用同一個計數(shù)變量對參考信號進行累加計數(shù)，當計數(shù)變量超出其中一個基數(shù)時，便輸出一個脈沖信號，從而產生多路脈沖信號。當然，計數(shù)變量有限制范圍，超過最大限制范圍，便開始下一次計數(shù)。同理，改變其特定的基數(shù)，可實現(xiàn)多路脈沖之間的時間間隔的實時可調性[4-6]。脈沖信號發(fā)生器脈沖輸出示意圖見圖1。

圖1 脈沖信號發(fā)生器波形圖

當外部輸入10 MHz的參考方波信號，對其上升沿進行計數(shù)，當計數(shù)到9 999 999時，CPLD輸出一個脈沖信號，以此實現(xiàn)秒脈沖信號。通過計算機RS232接口向CPLD發(fā)送數(shù)據(jù)，使計數(shù)基數(shù)為999 999，從而調節(jié)脈沖信號的頻率，實現(xiàn)百毫秒脈沖信號。其他單路脈沖信號，以此類推[7-9]。

對于多路脈沖信號，在同樣外部參考情況下，若設置其中一個基數(shù)為9 999 999，另外一個基數(shù)為9 999 998，便可產生時間間隔為100 ns的兩路脈沖信號；若改變基數(shù)9 999 998為9 999 996，兩路脈沖信號的時間間隔可實時變成300 ns。總之，通過計算機串口改變計數(shù)基數(shù)，可實時調整多路脈沖信號之間的時間間隔[10-11]。

2 總體實現(xiàn)方法

可調脈沖信號發(fā)生器的核心器件是CPLD，包括接收器與計數(shù)器的設計。計算機通過RS232接口連接至CPLD，實時發(fā)送一定格式的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對其輸出單路脈沖信號頻率及多路脈沖信號之間時間間隔的有效調節(jié)控制，通過外部選擇按鈕選擇單路脈沖輸出還是多路脈沖輸出。50MHz晶振為CPLD的異步串口接收提供參考信號。在輸入?yún)⒖夹盘柕臈l件下，通過計算機實時控制，CPLD輸出單路可調脈沖信號或多路可調脈沖信號。輸入?yún)⒖夹盘?，作為對CPLD的激勵信號，可以是10，20，100 MHz等。輸出的單路脈沖信號是指常見的秒脈沖、毫秒脈沖、微秒脈沖等。多路可調脈沖信號，在CPLD的I/O口允許條件下，可以根據(jù)測試信號要求，同時輸出任意路脈沖信號，其時間間隔的范圍受限于外部參考信號與給計數(shù)器設置的最大基數(shù)。該系統(tǒng)結構見圖2。

圖2 系統(tǒng)結構圖

該系統(tǒng)能實現(xiàn)單路脈沖信號輸出或同時輸出8路脈沖信號，脈沖路數(shù)根據(jù)測試要求進行選擇。脈沖最小時間間隔是外參考輸入信號的一個周期，脈沖最大時間間隔取決于計數(shù)器，脈沖信號的穩(wěn)定性與準確度主要取決于參考信號的性能。

3 CPLD實現(xiàn)

3.1 CPLD的硬件電路設計

硬件電路設計，主要是實現(xiàn)CPLD的外圍電路，包括串口接收處理與控制電路和電源電路等。

在硬件電路設計中，選用的CPLD是Altera公司MAX‖系列EPM240T1005C，該芯片具有低功耗、高速度以及高速I/O計數(shù)等性能，是業(yè)界普遍使用、性能穩(wěn)定、低功耗且性價比高的一款可編程邏輯器件[12-13]。

脈沖信號發(fā)生器輸出信號的時間間隔是通過計算機來控制的，可以采用串行接口、PS/2、USB或無線通信接口等實現(xiàn)計算機與CPLD之間的通信，本設計中采用常見的串行接口[4]。串行通信接口采用RS-232C標準，為單向不平衡傳輸方式，以負邏輯規(guī)定邏輯電平，即邏輯1表示為信號電平-5～-15 V，邏輯0表示為信號電平+5～+15 V，最大傳送距離15 m，最大傳送速率20 kbit/s。平時線路保持為1，傳送數(shù)據(jù)開始時，先送起始位（0），然后傳8（或7，6，5）個數(shù)據(jù)位（0，1），接著可傳1位奇偶校驗位，最后為1～2個停止位（1），由此可見，傳送一個ASCII字符（7位），加上同步信號最少需9位數(shù)據(jù)位。

串行通信，一般采用專用芯片來協(xié)調處理串行數(shù)據(jù)的發(fā)送接收，稱為通用異步發(fā)送/接收器（UART），以節(jié)省CPU的時間，提高程序運行效率。該系統(tǒng)中采用MAX232芯片來處理串行通信[14]。

在系統(tǒng)板上，MAX232工作時需5V電源，而EPM240T1005C工作時需要3.3 V電源。在外部提供5 V電源的前提下，采用REG1117M3電源轉化芯片將輸入5 V轉為3.3 V，從而實現(xiàn)整個系統(tǒng)的供電。高穩(wěn)定的精密電源對系統(tǒng)的穩(wěn)定度和準確度有極大的影響，故系統(tǒng)電源需特殊處理與保護，即對CPLD的供電電源須進行電容濾波。若將芯片MAX232換為MAX3232芯片，電源供電電壓就統(tǒng)一為3.3 V，因而使設計更加簡潔。系統(tǒng)硬件電路圖見圖3。

圖3 系統(tǒng)硬件電路圖

在圖3中，為便于表示，將EPM240T1005C（CPLD）分為U1A，U1B及U1C3個部分，其中U1A為芯片的輸入輸出端口，U1B為芯片的下載端口，U1C為芯片的電壓部分。CPLD的IO76端口（RXD為連接標識）通過MAX232芯片與外控計算機連接；CPLD的IO64端口（INC為連接標識）為外部參考信號輸入端；CPLD的IO1端口及IO77~IO88端口為脈沖信號輸出端；CPLD的IO20端口（CZ0為連接標識）為外部選擇端口；50 MHz晶振X1通過CLK0連接到CPLD的IO20端，外部5 V電源通過REG1117轉換為3.3 V電源，為CPLD提供電壓。其硬件電路實現(xiàn)圖見圖4。

圖4 硬件電路實現(xiàn)圖

3.2 軟件設計

軟件設計的任務是基于計算機開發(fā)軟件平臺在CPLD上實現(xiàn)計數(shù)器與串口接收器等。

CPLD是超大規(guī)模可編程邏輯器件，實現(xiàn)編程常用的硬件電路描述語言有VHDL與Verilog HDL，本設計采用VHDL語言。VHDL語言是美國IEEE標準協(xié)會于1987年公布的通用工業(yè)標準硬件描述語言，1995年，我國將VHDL作為EDA硬件描述語言的國家標準，用語言的方式而非圖形等方式描述硬件電路[15]。

VHDL主要用于描述數(shù)字電路系統(tǒng)的結構、行為、功能和接口。除了含有許多具有硬件特征的語句外，VHDL的語言形式和描述風格十分類似于一般的計算機高級語言。使用該語言，端口設計方便，易實現(xiàn)設計思路，不僅可以采用自頂向下設計流程，也可以采用自下向上的設計方案。

軟件設計中的關鍵部分是計數(shù)器，計數(shù)器的設計思路直接決定了脈沖信號的穩(wěn)定度與精度。經(jīng)過多次實驗設計與仿真，發(fā)現(xiàn)采用十進制整數(shù)計數(shù)或直接調用庫函數(shù)計數(shù)器等，誤差都比較大，最后決定采用32位的位累加計數(shù)器，誤差非常小、穩(wěn)定可靠、設計思路簡潔且能實現(xiàn)設計目標。具體軟件設計流程見圖5。

注：rst表示單路脈沖信號還是多路脈沖信號，m表示基數(shù)（初始化設置），m1表示另外一個基數(shù)（串口接收數(shù)據(jù)），st 表示用于設定單路時脈沖信號的頻率（通過串口獲得數(shù)據(jù)），tmp表示計數(shù)變量，c，c1表示輸出的2路脈沖信號。

文中的專用接收器是在CPLD上編程實現(xiàn)的。CPLD上的接收器接收來自計算機的數(shù)據(jù)，需要外部提供參考時鐘信號。在本系統(tǒng)中，串口軟件發(fā)送數(shù)據(jù)的發(fā)送速率選取為9 600 bit/s，因此在設計串口接收器時，為便于分頻，選用50 MHz的晶振作為參考信號。

在CPLD串口接收器（UART）設計方面，其接收數(shù)據(jù)格式的轉化是指 CPLD與計算機之間交互的數(shù)據(jù)格式轉化。計算機串口軟件發(fā)送數(shù)據(jù)格式是按字節(jié)的方式，且對于多位數(shù)據(jù)，先發(fā)低位再發(fā)高位。而CPLD接收數(shù)據(jù)時，是按照位的方式接收，且接收的數(shù)據(jù)是按照從低位到高位存儲。因此，CPLD接收的計算機串口數(shù)據(jù)需要轉化后才可使用。又計算機串口軟件發(fā)送一個字節(jié)，僅能發(fā)送一位十進制數(shù)，而這個字節(jié)高四位與該數(shù)無關，但該高四位在CPLD中需占用邏輯單元，造成資源浪費。因此，計算機串口軟件采用十六進制的方式發(fā)送數(shù)據(jù)。所需發(fā)送的十進制數(shù)據(jù)在發(fā)送前需要轉化為十六進制格式。根據(jù)計數(shù)器的設計，CPLD只能接收8位十六進制數(shù)據(jù)，字長為4字節(jié)的32位二進制數(shù)，數(shù)值的范圍為0～4 294 967 295。因此，為了準確控制脈沖信號相位，計算機串口軟件每次必須發(fā)送8位十六進制數(shù)據(jù)。圖6是CPLD數(shù)據(jù)格式轉化示意圖。

圖6 CPLD數(shù)據(jù)格式轉化示意圖

4 仿真實驗

仿真實驗是在Quartus II 9.0軟件平臺上進行的，該設計平臺在實現(xiàn)軟件設計的同時還提供了豐富的其他功能，如仿真、時序分析與逼近、功耗分析及調試等，這極大地縮短了設計周期，提高了開發(fā)效率，而且該功能仿真與實際電路實現(xiàn)功能相比誤差較小。此外利用該平臺還可實現(xiàn)JTAG下載等。本文選取的仿真實驗是指功能仿真實驗。設置參考信號為100 MHz，基數(shù)為9時，其單路輸出為百納秒脈沖信號，仿真圖見圖7。在同樣的外部輸入?yún)⒖夹盘栂?，設置一個基數(shù)為9，另外一個基數(shù)為7，即多路脈沖信號之間的時間間隔為70 ns，其多路脈沖信號仿真實驗圖見圖8。

在仿真實驗中，表示參考信號，與1表示輸出脈沖信號。由圖7、圖8可以看到，輸出脈沖信號的寬度為輸入信號的一個周期，輸入信號上升沿與輸出信號上升沿是同步的，沒有毛刺與相位差，這說明了本設計中選取位累加計數(shù)器的方案是正確的。

圖7 單路脈沖信號仿真圖

圖8 多路脈沖信號仿真圖

5 測試實驗

5.1 單路脈沖信號測試實驗

在系統(tǒng)單路測試實驗中，首先將中國科學院國家授時中心UTC（NTSC）主鐘的10MHz信號作為HROG10（相位微調儀）的外部參考信號，由HROG10輸出高穩(wěn)定度的10 MHz信號，將HROG10輸出的10MHz信號提供給基于CPLD的高精度可調脈沖信號發(fā)生器，由該脈沖信號發(fā)生器產生單路脈沖信號，最后，使用時間間隔計數(shù)器SR620測量HROG10輸出1PPS與該脈沖信號發(fā)生器產生的秒脈沖的時間間隔，對該可調脈沖信號發(fā)生器產生單路脈沖信號的穩(wěn)定性和準確度進行評價。單路脈沖信號測試框圖見圖9。曾于2012年11月1日00:00到04:00每秒取一個數(shù)據(jù)，共采樣14 000個數(shù)據(jù)，由取樣數(shù)據(jù)計算得到該可調脈沖信號發(fā)生器產生秒脈沖信號的1 s取樣Allan方差為1.84×10-11，見圖10。

圖9 單路脈沖信號測試框圖

圖10 Allan方差

5.2 多路脈沖信號測試實驗

在系統(tǒng)多路測試實驗中，將國家授時中心UTC（NTSC）主鐘的10 MHz信號作為HROG10（相位微調儀）的外部參考信號，由HROG10輸出高穩(wěn)定度的10 MHz信號，將HROG10輸出的10 MHz信號提供給基于CPLD的高精度可調脈沖信號發(fā)生器，由該脈沖信號發(fā)生器產生多路脈沖信號，最后，使用時間間隔計數(shù)器SR620測量該脈沖信號發(fā)生器產生的2路脈沖信號的時間間隔，對該可調脈沖信號發(fā)生器產生的多路脈沖信號的穩(wěn)定度和準確度進行評價。多路脈沖信號測試原理框圖見圖11。

圖11 多路脈沖信號測試框圖

取2路脈沖信號的時間間隔分別為10 s，1 s，100 ms，10 ms，1 ms，100μs，10μs，1μs，500 ns，200 ns和100 ns，進行測量。測量所得各個時間間隔相對偏差（2路信號之間的時間間隔與標準值之差）的均值、2路信號之間的時間間隔數(shù)據(jù)系列的峰-峰值和1 s取樣的Allan方差值見表1。以2路脈沖信號的時間間隔為1 s，100 ms，1μs及200 ns的情況為例繪制相對時間偏差圖和Allan方差圖，分別示于圖12至圖15和圖16至圖19。

表1 測量結果

圖13 時間間隔為100 ms的相對時間偏差

圖14 時間間隔為1 ns的相對時間偏差

圖15 時間間隔為200 ns的相對時間偏差

圖16 時間間隔為1 s的Allan方差

圖17 時間間隔為100 ms的Allan方差

圖18 時間間隔為1 μs的Allan方差

圖19 時間間隔為200 ns的Allan方差

在測量中，信號電纜時延差為5.59963 ns，另外有BNC接頭時間差、硬件電路走線時間差及隨機誤差等，故從表1看出，該可調脈沖信號發(fā)生器產生脈沖的時間間隔是準確的，最小時間間隔取決于外部參考信號，最大時間間隔取決于硬件計數(shù)器的最大基數(shù)。表1及圖12至圖15、圖16至圖19表明，該可調信號發(fā)生器產生的脈沖信號是穩(wěn)定可靠的。

6 結論

本文研制的基于CPLD的高精度可調脈沖信號發(fā)生器充分利用了CPLD數(shù)字器件及VHDL語言的優(yōu)點，設計清晰簡潔，控制靈巧方便。它可以為多通道時間間隔測量設備提供單路可調的測試脈沖信號或多路可調的測試脈沖信號，在評估測試多通道時間間隔測量設備試驗中得到了具體應用。通過實驗測試證明，該可調脈沖信號發(fā)生器準確性好、穩(wěn)定度高、性價比高、應用前景廣闊。若使用精密專業(yè)供電電源，該可調脈沖信號發(fā)生器的性能會更加穩(wěn)定。另外，若將計算機控制改進為微系統(tǒng)（單片機或FPGA等）控制，可調脈沖信號發(fā)生器便可微型化，方便測試使用。

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Development of an adjustable high-precision pulse signal generator based on CPLD

FAN Duo-sheng1,2,3, SHI Shao-hua1,2, LI Xiao-hui1,2

(1. National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi′an 710600, China; 2. Key Laboratory of Time and Frequency Primary Standards, National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi′an 710600, China; 3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

To meet the test requirement of the precise time interval measurement equipments, we designed a phase-adjustable high-precision pulse signal generator. In the design, simulation and hardware-implementation, the computer serial port control mode was adopted, the complex programmable logic device (CPLD), which has the advantages of high level of integration/good reliability/fast operating speed, was utilized, and the Altera's Quartus II software was adopted. The result of simulation and experiment shows that the pulse signal generator can not only generate a single adjustable pulse signal, but also generate the multi-channel adjustable pulse signals. The Allan(＝1s) for the single 1PPS signal is 1.84×10-11, the Allan variance(＝1s) for the multi-channel pulse signals with a time interval of 100 ns is 2.36×10-11, and the peak-peak value of the time interval data series for two channels of signal is 101ps. This pulse signal generator can meet the needs of the multi-channel time interval measurement equipment in stability and accuracy.

pulse signal generator; CPLD(complex programmable logic device); time interval

TN782

A

1674-0637(2014)01-0025-09

2013-04-22

國家自然科學基金資助項目（61001076）；國家重大科研儀器設備研制專項資助項目（61127901）

樊多盛，男，碩士研究生，主要從事高精度時間頻率測量與控制研究。