（测试计量技术及仪器专业论文）基于fpga高分辨率短时间间隔测量的研究与实现.pdf

摘要 摘要 时间间隔测量在导航定位、航空航天、通讯、电子仪器、天文、计量、电子 技术等众多领域有着广泛的应用。随着这些领域技术的发展，对时间间隔测量的 精度提出了更高的要求。 本文基于脉冲计数法的基础上提出了等效脉冲计数法，等效脉冲计数法的原 理是通过锁相环对原始计数时钟信号进行倍频和移相后获得n 路具有固定相移的 计数时钟信号，然后用这n 路计数时钟对闸门信号进行计数，相加后得到被测时 间间隔闸门信号。然而，在等效脉冲计数法中，为了获得这n 路具有固定相移的 信号，往往需要几个锁相环才能完成。因此，为了减少锁相环的个数，针对f p g a 的内部结构对该方法进行了改进，提出了改进等效脉冲计数法。改进等效脉冲计 数法的原理通过对时间间隔闸门信号进行延时，得到n 个延时依次相差f 的闸门信 号，然后利用锁相环对原始计数时钟信号进行倍频，对各个闸门信号进行计数， 最后相加得到被测信号的时间间隔闸门信号。 本文详细的介绍了等效脉冲计数法和改进等效脉冲计数法的软件以及硬件实 现。软件实现主要通过硬件描述语言v e r i l o g 编程实现；硬件实现主要包括f p g a 及其外围电路和单片机及其外围电路的设计。最后通过实验证明，基于f p g a 的 改进等效脉冲计数法相对于等效脉冲计数法具有一定的优势，而且改进等效脉冲 计数法的时间间隔测量系统的分辨率可达到4 0 0 p s ，测量时间范围达到1 1 0 0 s 。利 用f p g a 作为核心芯片对系统进行设计，达到了简化电路设计、提高系统稳定性 和可靠性的目的，随着微电子技术的发展本文的设计方案还有提升的空间。 关键词：现场可编程门阵列时间间隔测量系统延时计数器 a b s t r a c t a b s t r a c t t i m ei n t e r v a lm e a s u r e m e n th a sb e e nw i d e l yu s e di nm a n ya r e a s ，s u c ha sn a v i g a t i o n a n d p o s i t i o n i n g ，a e r o s p a c e ，c o m m u n i c a t i o n s ，e l e c t r o n i c s ，a s t r o n o m y , m e t r o l o g y , e l e c t r o n i ct e c h n o l o g y w i t ht h et e c h n o l o g yd e v e l o p m e n ti nt h e s ea r e a s ，a c c u r a c yo f t i m e i n t e r v a lm e a s u r e m e n th a sb e e np r o p o s e dh i g h e rr e q u i r e m e n t s i nt h i sp a p e r t h e e q u i v a l e n tp u l s e - c o u n t i n gm e t h o di sp r o p o s e db a s e do n p u l s e c o u n t i n gm e t h o d i t sp r i n c i p l ei st h a t ：f i r s t l yo fa l l ，s e v e r a lc o u n tc l o c ks i g n a l so f r e l a t i v ep h a s es h i f ta r eo b t a i n e db ym u l t i p l y i n ga n ds h i f t i n gt h ep h a s eo ft h eo r i g i n a l c o u n tc l o c ks i g n a l s t h e nc o u n tt h ei n t e r v a lg a t es i g n a lu s e dt h e s ec l o c ks i g n a l s f i n a l l y t h em e a s u r e dt i m ei n t e r v a lg a t es i g n a li so b t a i n e db yt h es u mo ft h ev a l u eo fc o u n t e r s h o w e v e r ，i nt h ee q u i v a l e n tp u l s e - c o u n t i n gm e t h o d ，i no r d e rt oo b t a i nt h e s es i g n a l s ， s e v e r a lp l lo f t e na r et a k e n s oi no r d e rt or e d u c et h en u m b e ro fp l l ，t h ei m p r o v e d e q u i v a l e n tp u l s e - c o u n t i n gm e t h o di sp r o p o s e di nv i e wo ft h ei n t e m a ls t r u c t u r eo ft h e f p g a i t sp r i n c i p l ei s t h a t ：f i r s t l y , s e v e r a lg a t es i g n a l sw h i c hp h a s ef o l l o w e db ya d i f f e r e n c eo ffa r eo b t a i nb yd e l a y i n gt h eo r i g i n a lg a t es i g n a l t h e nu s ep l lt o m u l t i p l yt h ef r e q u e n c yo fo r i g i n a lc l o c ks i g n a l s ，t h e nu s et h e s es i g n a l st oc o u n te a c ho f g a t es i g n a l f i n a l l y , m e a s u r e dt i m ei n t e r v a lg a t es i g n a li so b t a i n e db yt h es u l no ft h e v a l u eo fc o u n t e r s i nt h i sp a p e r ，t h es o f t w a r ea n dh a r d w a r ea c h i e v e do f e q u i v a l e n tp u l s ec o u n t i n ga n d i m p r o v e de q u i v a l e n tp u l s e - c o u n t i n gm e t h o da r e d e s c r i b e di nd e t a i l s o f t w a r e i m p l e m e n t a t i o ni su s e dh a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g ev e r i l o gt op r o g r a m h a r d w a r e i m p l e m e n t a t i o ni n c l u d e sf p g aa n di t sp e r i p h e r a lc i r c u i t sa n dm i c r o p r o c e s s o ra n di t s p e r i p h e r a lc i r c u i td e s i g n t h ee x p e r i m e n t sp r o v et h a ti m p r o v e de q u i v a l e n tp u l s e c o u n t i n gm e t h o dh a ss o m ea d v a n t a g et oe q u i v a l e n tp u l s e - c o u n t i n gm e t h o db a s e do n f p g a t h et i m ei n t e r v a lm e a s u r e m e n ts y s t e mb a s e do nt h ei m p r o v e de q u i v a l e n tp u l s e c o u n t i n gm e t h o dc a na c h i e v ear e s o l u t i o no f4 0 0 p s m e a s u r e m e n tt i m er a n g eo fu pt o ll0 0 s u s e df p g aa st h ec o r ec h i p ，t h es y s t e mi ss t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t ya n ds i m p l i f i e d i nc i r c u i td e s i g n w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm i c r o e l e c t r o n i c st e c h n o l o g ya l s oi m p r o v e d e q u i v a l e n tp u l s ec o u n t i n gm e t h o dh a sr o o mf o ri m p r o v e m e n t k e y w o r d s ：f p g a t i m ei n t e r v a lm e a s u r e m e n t s y s t e md e l a yt i m e c o u n t e r 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名： 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名：迹 导师签名：固至浑 日期望塑! ：! ：! ! 日期挫：z 。! 第一章绪论 第一章绪论 在所有的物理量中，时间和频率量具有最高的精度。无论是在导航定位、航 空航天、通讯、电子仪器、天文、还是计量、电子技术等众多领域都涉及到大量 的频率和时间信号的测量和应用问题。随着这些领域的技术发展，对频率和时间 测量精度也提出了更高的要求。同时，从时间和空间的关系出发，大量空间量的 测量和定位问题也会被转换为时间进行测量和处理，所以时间间隔测量研究是既 具有国际高层次技术水平发展的深度又有广泛市场的重要研究方向。 1 1 时间的基本定义 时间是一个基本的物理量，它的单位是秒( s ) 。在单位时间内周期运动重复的 次数称为频率，它的单位是赫兹( h z ) 。在s i 中秒是基本单位，赫兹是导出单位。 时间的量纲【1 】和频率的量纲是倒数关系。 历史上都是通过天文观测和计算的方法获得准确的秒。随着科技的进步，时 间单位秒的确定也经过了世界时、历书时和原子时的过程。 根据地球自转所形成的昼夜变化，通过天文观测可以定出的太阳日被称为视 太阳日。将每太阳日均分为8 6 4 0 0 等分，可以得到时间单位秒。世界时u t 秒定义 为：1 秒等于平太阳日的8 6 4 0 0 分之一。只有时间单位和计时系统( 如钟) 还不能 完全决定时间，即只能得到时间间隔，而不能得到时刻。也就是说，还需要一个 起点。为了统一全世界的时间，经1 8 8 4 年国际子午线会议决定，以通过英国格林 威治天文台的经线作为计算全球经度的起点( 0 0 ) ，每隔1 5 0 定一条标准经线，在 其两侧各7 0 3 0 的地区( 时区) 内均采用标准经线处的地方时，称为该时区的标准 时( 或区时) 。这样，全球一共分成2 4 个时区。相邻时区的标准时相差1 小时。 世界各地的标准时，都归算到零时区的标准时( 格林威治平太阳时) ，称为世界时。 时刻的起点为1 8 5 8 年1 1 月1 7 日零时。 1 9 6 0 年第十一届国际计量大会决定采纳基于地球公转周期的历书时e t 秒定 义：“秒为1 9 0 0 年1 月0 日历书时1 2 时起算的回归年的1 3 1 5 5 6 9 2 5 9 7 4 7 。” 历书时虽然在理论上是一种均匀时标，但是观测比较困难，而且需要长年累 月地进行。利用对太阳和月亮的综合观测三年的资料才能得到1 0 母的精度。 1 9 6 7 年第十三届国际计量大会通过新的原子秒的定义：“秒是与铯1 3 3 原子基 态的两个超精细能级间跃迁相对应的辐射的9 ，1 9 2 ，6 3 1 ，7 7 0 个周期的持续时间”。原 子时a t 的时刻起点为1 9 5 8 年1 月1 日零时。 国际原子时从1 9 7 5 年开始发播，作为统一全世界时标的基础。 原子频标的建立使人们摆脱了以地球自转为基础的世界时，获得了高度准确 2 基于f p g a 高分辨率短时间间隔测量的研究与实现 的时间频率。但是这对于那些与地球自转角位置密切相关的、适应于不均匀的世 界时的工作，比如船舶定位、大地测量等来说，则有些不便。也就是出现了准确 的时间间隔和不均匀的时刻之间的矛盾。为了解决这个问题，提出了以“闰秒” 作为协调的办法。当世界时由于地球自转速度的变化而与国际原子时不一致时， 则在适当的时刻增加一秒( 闰秒) 或减少一秒( 负闰秒) ，使两者的时刻基本一致。 这就是协调世界时。协调世界时的秒长与原子时一致，而时刻则是利用闰秒协调 来与世界时一致( 两者的时差控制在o 9 5 秒以内) 。这就可以满足各方面的需要 了。协调世界时的起点是1 9 6 0 年1 月1 日世界时零时。从1 9 7 2 年起，世界各国 的标准频率和时号发播台都正式播发协调世界时。1 9 7 4 年国际上确定把协调世界 时作为国际的法定时间。截止1 9 8 3 年6 月底，协调世界时己比国际原子时落后了 2 1 秒。实施闰秒的具体时间，一般是在当年的6 月3 0 日或1 2 月3 1 日的最后一分 钟，由国际时间局综合世界各国天文台的观测结果来确定，并提前两个月发出公 告，全球统一行动，要求时间同步到l 毫秒以内，频率同步到1 1 0 。1 0 以内。 1 2 时间间隔的重要性 在日常生活中，精确到分钟的时间间隔精度【2 l 已能满足人们的普通需要了，但 现代导航定位、航空航天、通讯、电子仪器等领域对时间精确度的要求越来越高。 l s 的测时误差会导致航天飞机不能安全返航，1 秒的测时误差会导致大海中的舰 船偏离航线数百米。 精密时间间隔测量f 3 】是高精度超声波测距、激光脉冲测距和雷达测距的基础。 在激光测距中，主要是要测量电磁波的发射波与反射波之间时间间隔，来确定被 测距离，测距精度直接由时间间隔测量精度决定。雷达测距、激光测距和超声波 测距在航天、航空、军事、冶金等方面都有着广泛应用。在航空航天领域中，飞 行器通过测量波束往返所需的时间间隔来进行高度标定和导航等，高精度的时间 间隔测量，可以保障飞行器能够安全飞行；军事上对打击目标的精确测距是精确 打击的基础，提高时间间隔测量的分辨率，就意味着有效提高制导、引爆的精确 度。 在电子测量领域【4 】中，有许多高精度的测试仪器，如示波器、信号发生器、逻 辑分析仪和半导体器件测试，其核心部分就是时间间隔测试装置。例如半导体器 件测试仪，其主要测试功能就是半导体的延时特性的测试，使得时间间隔测量装 置达到要求。 电力系统频率稳定性是最近几年来来受到电力工程界广泛关注的课题。失去 频率稳定性，会发生电压崩溃。如果能够精确、快速地测量时间间隔，就能够实 时地测量出瞬时频率，为电力系统频率稳定性的控制提供及时正确的依据。 第一章绪论 1 3 时间间隔的测量方法 传统的时间间隔测量方法包括：脉冲计数法、模拟内插法、时间幅度转换法、 长度游标法、量化时延法等。 1 3 1 脉冲计数法 脉冲计数法是时间间隔测量技术中最基本的方法。脉冲计数法的测量原理是 利用计数时钟去填充被测时间间隔，通过对时钟信号的计数来量化被测时间间隔。 具体工作原理如图1 1 所示。 厂 起始信号 终止信号 厂 一 l 时间间隔卜i 一瓦一 c l k 厂 厂 厂 厂 厂 厂 图1 1 脉冲计数法的测量原理波形图 图1 1 中，用时钟信号c l k 驱动计数器对被测信号进行计数。设时钟频率为五， 周期为r ，计数器的值为m ，则被测信号的时间间隔为； = m l 式( 1 一1 ) 这种方法的原理比较简单，但要实现p s 的分辨率，其计数频率要达到g h z ， 信号达到微波段。这样的信号不仅难以产生，准确性也难以保证，而且由于分布 参数效应，在普通电路中不易实现。因此，目前该方法只能达到n s 级的精度，当 然，这种方法的优点是容易实现。 4 基于f p g a 高分辨率短时间间隔测量的研究与实现 1 3 2 模拟内插法 时间间堕妊二二二二二二二二二二! ；二二二二二二二二二二二刊 f | 卜一磊一 c l k u ： j 一恤i 一卜 内插哩塑广 几 ：1 0 3 互盟0 3 互 计数iu 1 l 2 ：l i 出凹2 图1 2 内插法原理波形图 如图1 2 所示，输入信号的时间间隔为互，在测量互时，计数器将在对正时 间内通过闸门的钟脉冲计数。由于输入信号与时钟信号c l k 之间存在相位差，因 此，计数器测量的时间为瓦而不是t ，这将会产生1 个时钟周期的误差。 l = t o + 互一互 式( 1 2 ) 内插法就在于测定互和疋这两个短时间间隔，以降低1 个时钟周期的误差。 设法将输入信号起始的触发脉冲与第一个计数脉冲之间的时间间隔z 扩展1 0 0 0 倍，得到t 。，然后在t = 正1 0 0 0 的时间间隔通过钟脉冲计数。同理，对疋也扩展 1 0 0 0 倍计数。由于将短的时间扩展了1 0 0 0 倍，因此用1 0 m h z 钟脉冲计数测量时 的分辨率由l o o n s 提高到o 1 n s 。这样只要测出r o 、互和疋的时间，就可以算出正。 将正= 杂矗f 。，瓦= 若岳f 。代入式( 1 - 1 ) 得到： t = n o + 念一旦1 0 0 0 卜 = ( o + 盖一羔) 川。瑚 = o o o o n o + l 一2 ) o i n s 式( 1 3 ) 中，f 。为计数时钟的周期，n l 为对t l 扩展1 0 0 0 倍后的计数值，n 2 为对t 2 扩展1 0 0 0 倍后的计数值。由该式可知，应用内插法以后，设备的测时分辨 率提高了1 0 0 0 倍，这样1 误差降低到原来的0 1 。考虑到瓦和疋都有误差，因 此总的误差降低到原来的o 2 。 第一章绪论 5 1 3 3 时间幅度转换法 这种方法的思想是利用恒定的电流对电容进行充电，将时间转换为电压。然 后采用高速的a d 进行转换，对该电压数字化。a d 转换完成后，电容再迅速放 电，以减少死区时间。具体利用了一个线性斜坡电压产生器，当第一个脉冲信号 到来时，起动一个斜坡发生器，当此后的第一个量化时钟脉冲到来时，使采样保 持电路进入保持状态以保持斜坡发生器此时的电压值，然后再做模数转换，记录 下此刻的电压值，设定斜坡发生器在一个时钟周期t o 时间内电压的变化量为圪。， 假设模数转换器的位数为n ，则满幅时所对应的电压也为圪。，在量化误差时间间 隔内a d c 的输出为m ，则对应的时间正的值应该为： 互= 等兀 式( 1 - 4 ) 该方法存在的误差来源主要包括在以下两个方面：第一，a d c 的转换误差导 致电压测量值存在误差；第二，线性斜坡电压发生器的非线性误差导致的测量误 差。该方法的优点是能够实现很高的测量分辨率，转换时间短，等于a d 转换的 时间。缺点是转换的非线性误差比较大，而且制作工艺较复杂。 1 3 4 长度游标法 长度游标法由于它的工作原理类似于游标卡尺而得名。理论上长度游标法能 够同时实现高分辨率和大量程测量，但是由于设计上的困难，其分辨率往往只能 在较短的时间内保持。因此，长度游标法通常结合插值法来测量，与模拟内插法 和时间幅度转换法类似，先利用直接计数器进行粗测，然后再采用游标法进行高 分辨率测量。长度游标法的测量原理是依靠两个可启动振荡器来实现的，利用时 间间隔的开始时刻开启一个周期为互的振荡器，用结束时刻开启另一个周期为疋 的振荡器，而且正稍大于乃。然后对这两个振荡器分别计数，直到这两个振荡器 输出的频率信号相位重合。则周期为正的振荡器计数表示的时间和周期为疋的振 荡器计数表示的时间之差就是被测的时间间隔信号。游标法测量的高分辨率是由 两个可启动振荡器的高稳定度与高可靠性保证的，在比较长的时间间隔测量中， 这种方法比较难以实现。另外高精度的重合检测电路也显得非常重要。 1 3 5 量化时延法 利用器件本身的延时特性，使事件信号通过这一系列的延时单元，依靠延时 单元的延时稳定性，并在计算机的控制下对延时单元的状态进行高速采集和数据 处理，从而实现对短时间间隔的精确测量。其测量原理波形如图1 3 所示。 6 基于f p g a 高分辨率短时间间隔测量的研究与实现 开始信号结束信号 图1 3 量化法的测量原理波形图 图1 3 中，在结束信号到来时刻，延时状态被采样并保存。根据开始信号所通 过的延时单元数目，就能够得到待测的时间间隔z 。 疋= n t 式( 1 5 ) 式( 1 - 5 ) 中正为被测时间间隔，为其所通过的延时单元个数，r 为单个延时 单元的延迟时间。在这种方法中存在1 一个延时单元的延迟时间的误差。 1 4 国内外研究现状 在很多大型物理实验中，时间间隔测量作为一种重要的鉴别和探测手段，对 测量的精度要求非常严格。如何提高时间测量的精度成为物理学家孜孜以求的目 标。 比较典型的时间间隔测量仪器有h p 5 3 7 0 b 、s r 6 2 0 、h p 5 3 1 3 a 、h p 5 3 1 3 2 a 等， 其中h p 5 3 7 0 b 具有2 0 p s 的时间分辨率，l o o p s 测量精度，s r 6 2 0 具有2 5 p s 的单次 测量时间分辨率。 在国内的论文【5 谓j 中，典型的有中国科学院高能物理研究所在北京正负电子对 撞机和北京谱仪中应用了西欧粒子物理研究中心( c e r n ) 研制的高精度时间间隔 测量芯片h p t d c ，用于测量核心探测器主漂移室中对撞时刻和电离电子到达阳极 丝时刻之间的时间间隔，这是亚1 1 s 领域内精确的时间测量。该芯片有3 2 个通道， 4 种可选的精度模式，当其工作在低分辨精度模式时，时间分辨率约为8 0 0 p s ；当 其工作在中分辨精度模式时，时间分辨率约为2 0 0 p s ；当其工作在高分辨精度模式 第一章绪论 7 时，时间分辨率约为l o o p s ；当其工作在甚高分辨精度模式时，时间分辨率约为 5 0 p s 。不论从时间分辨还是多通道功能上，该芯片都是目前同类产品中的佼佼者。 德国a c a m 公司研发的高精度时间间隔测量芯片t d c g p l ，可提供两通道 2 5 0 p s 或单通道1 2 5 p s 分辨率的时间间隔测量，小量程测量范围为3 n s - 7 6 s ，可 用2 个通道，大量程测量范围为6 0 n s 2 0 0 m s 。 用f p g a 实现时间间隔测量，在国外论文【9 1 2 】中，比较典型的包括两个设计： 一个是j o z e f k a l i s z ，r y s z a r ds z p l e t 等人的研究。他们采用的是q u i c k l o g i c 公司的 p a s i c 2 系列f p g a 。该f p g a 是基于0 6 5 微米的c m o s 工艺，采用逆熔丝结构。 在f p g a 的内部，构建差分延迟线( d i f f e r e n t i a ld e l a yl i n e ) ，得到分辨率为 1 0 0 2 0 0 p s 的系统。 另一个例子是z i e l i n s k im 和c h a b e r s k id 等人，采用x l i n i x 公司的v i r t e x 系 列f p g a x c v 3 0 0 实现的。该f p g a 是五层金属0 2 2 微米c m o s 工艺，采用基于 r a m 的结构。该系统采用抽头延迟线法( t a p p e dd e l a yl i n em e t h o d ) ，取得l o o p s 的分辨率。 1 5 论文的工作以及安排 一、主要工作 本文基于脉冲计数法的基础上提出了等效脉冲计数法，等效脉冲计数法的原 理是通过锁相环对原始计数时钟信号进行倍频和移相后获得n 路具有固定相移的 计数时钟信号，然后用这i 1 路计数时钟对闸门信号进行计数，相加后得到被测时 间间隔闸门信号。然而，在等效脉冲计数法中，为了获得这n 路具有固定相移的 信号，往往需要几个锁相环才能完成。因此，为了减少锁相环的个数，针对f p g a 的内部结构对该方法进行了改进，提出了改进等效脉冲计数法。改进等效脉冲计 数法的原理通过对时间间隔闸门信号进行延时，得到n 个延时依次相差f 的闸门信 号，然后利用锁相环对原始计数时钟信号进行倍频，对各个闸门信号进行计数， 最后相加得到被测信号的时间间隔闸门信号。 改进等效脉冲计数法和等效脉冲计数法的主要区别在于：改进等效脉冲计数 法是通过对闸门信号进行相移，而等效脉冲计数法是通过对锁相环倍频后的信号 进行相移。因此，改进等效脉冲计数法只需要一个锁相环就能实现短时间间隔测 量，而等效脉冲计数法需要几个锁相环。 本文详细的介绍了等效脉冲计数法和改进等效脉冲计数法的软件以及硬件实 现。软件实现主要通过硬件描述语言v e r i l o g 编程实现；硬件实现主要包括f p g a 及其外围电路和单片机及其外围电路的设计。最后通过实验证明，基于f p g a 的 改进等效脉冲计数法相对于等效脉冲计数法具有一定的优势，而且改进等效脉冲 8 基于f p g a 高分辨率短时间间隔测量的研究与实现 计数法的时间间隔测量系统的分辨率可达到4 0 0 p s ，测量时间范围达到1 1 0 0 s 。 二、内容安排 第一章：主要介绍了时间间隔测量的必要性，同时对传统的各种时间间隔测 量方法进行介绍。 第二章：主要描述了短时间间隔测量系统的总体设计方案。 第三章：主要描述了短时间间隔测量系统的软件设计及实现。 第四章：主要描述了短时间间隔测量系统的硬件设计与实现。 第五章：对测量系统的实验结果进行分析。 第六章：总结以及后续工作的展望。 1 6 小结 本章主要描述了短时间间隔的重要性及其传统的各种测量方法，然后对本论 文的主要研究工作以及本文的内容安排进行了阐述。下一章主要描述了短时间间 隔测量系统的总体设计方案。 第二章系统的总体设计方案 9 第二章系统的总体设计方案 2 1 可编程逻辑器件的简述 近年来，随着f p g a 技术的迅猛发展i l 引，在某些方面，f p g a 已经完全可以 取代a s i c 。为了获得更短的开发时间，f p g a 牺牲一部分性能。它所特有的可重 构性不仅增加了系统的适应性、灵活性，同时也大大减小了系统的规模，非常具 有研究和开发的潜力。 在当今这个数字化的时代，数字集成电路在不断地进行自我更新。它由早期 的电子管、晶体管、小中规模集成电路、发展到超大规模集成电路( v l s c i ，几万 门以上) 以及许多具有特定功能的专用集成电路。但是，随着微电子技术的发展， 设计与制造集成电路的任务已不完全由半导体厂商来独立承担。系统设计师们更 愿意自己设计专用集成电路( a s c i ) 芯片，而且希望a s c i 的设计周期尽可能短， 最好是在实验室里就能设计出合适的a s c i 芯片，并且立即投入实际应用之中，因 而出现了现场可编程逻辑器件( f p d l ) ，其中应用最广泛的当属现场可编程门阵 列( f p g a ) 和复杂可编程逻辑器件( c p l d ) 。 2 1 1f p g a 的发展 早期的可编程逻辑器件主要包括可编程只读存贮器( p r o m ) 、紫外线可擦除 只读存贮器( e p r o m ) 和电可擦除只读存贮器( e e p i 的m ) 三种。由于结构的限 制，它们只能完成简单的数字逻辑功能。 随后，出现了一种结构上稍复杂的可编程芯片，即可编程逻辑器件( p l d ) ， 它的应用和发展不仅简化了电路设计，降低了开发成本，提高了系统的可靠性， 而且给数字系统的设计带来了革命性的变化。 p l d 器件的雏形在是2 0 世纪7 0 年代中期出现的可编程逻辑阵列p l a ( p r o g r a m m a b l el o g i ca r r a y ) ，p l a 由可编程的与阵列和可编程的或阵列构成，阵 列的规模相对比较小，编程也比较琐碎。后来出现了可编程阵列逻辑p a l ( p r o g r a m m a b l e a r r a yl o g i c ) ，p a l 是由可编程的与阵列和固定的或阵列构成，并 采用熔丝编程方式，而且它的设计比较灵活，器件速度快，因而成为第一个得到 普遍应用的p l d 器件。 2 0 世纪8 0 年代初，美国l a t t i c e 公司发明了通用阵列逻辑g a l ( g e n e r i c a r r a y l o g i c ) 。g a l 器件采用了e e p r o m 工艺，具有可擦除、可编程、可长期保持数据 的优点，使用非常灵活，因此g a l 得到了更为广泛的应用。 之后，p l d 器件进入了一个快速发展的时期，不断地向着高速度、大规模、 1 0 基于f p g a 高分辨率短时间间隔测量的研究与实现 低功耗的方向发展。2 0 世纪8 0 年代，a l t e r a 公司推出了一种新型的可编程的逻辑 器件e p l d ( e r a s a b l ep r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) ，它采用u v e p r o m 和c m o s 工艺制成，设计更加灵活，集成度也更高，但它的内部连线功能稍微弱了一些。 1 9 8 5 年，美国x i l i n x 公司推出了一种采用单元型结构的新型现场可编程门阵 列f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 。它采用s r a m 、c o m s 工艺制作，在 结构上和阵列型p l d 有所不同，它的内部由许多相互独立的可编程逻辑单元组成， 各逻辑单元之间可以灵活地相互连接，具有速度快、密度高、编程灵活、可重新 配置等优点，当今，f p g a 成为当前主流的p l d 器件之一。 c p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) ，即复杂可编程逻辑器件，是由 e p l d 改进而来，采用e e p r o m 工艺制作而成，与e p l d 相比，c p l d 对逻辑宏 单元和i o 单元也有重大的改进，同时增加了内部连线，使得它的性能更好、使用 更方便。尤其是在l a t t i c e 公司发明了在系统编程i s p ( i ns y s t e mp r o g r a m m a b l e ) 技术之后，相继出现了一系列具备i s p 功能的c p l d 器件，c p l d 是当今另一主流 的p l d 器件。 2 1 2f p g a 的基本结构 f p g a l l 5 】是在c p l d 的基础上发展起来的，一种新型高性能可编程逻辑器件， 它一般采用s r a m 工艺，也有一些采用f l a s h 工艺或反熔线( a n t i f u s e ) 工艺等。 f p g a 的基本组成部分主要有基本可编程逻辑单元、可编程输入输出单元、丰富 的布线资源、嵌入式块r a m 、底层嵌入功能单元和内嵌专用硬核【l6 j 等。 f p g a 各部分简介如下： 1 基本可编程逻辑单元 基本可编程逻辑单元是可编程逻辑的主体，可以通过改变其内部连接与配置， 完成不同的逻辑功能。f p g a 的基本可编程逻辑单元由查找表( l u t ，l o o ku p t a b l e ) 和寄存器( r e g i s t e r ) 组成的。f p g a 的查找表一般为4 输入，查找表主要 完成纯组合逻辑的功能。f p g a 内部寄存器非常灵活，既可以通过配置作为带同步 异步复位和置位、时钟使能的触发器( f f ，f l i pf l o p ) ，也可以通过配置成为锁存 器( l a t c h ) 。f p g a 通常是依赖寄存器完成同步时序逻辑设计。一般的基本可编程 单元的配置是由一个寄存器和一个查找表组成，但是不同厂商的寄存器和查找表 的结构存在有一定的差别，而且寄存器和查找表的组合模式也有所不同。a l t e r a 大 多数f p g a 的每一个逻辑单元( l e ，l o g i ce l e m e n t ) 基本上是由一个l u t 和一个 r e g i s t e r 组成，并由1 0 个l e 组合，构成具有更大功能的单元一逻辑陈列块( l a b ， l o g i ca r r a yb l o c k ) ，l a b 中除了l e 外，还包含l e 间的进位链、l a b 控制信号、 l u t 级联链、局部互联线资源、寄存器级联链等连线与控制资源。 第二章系统的总体设计方案 器件选型和规模估算是学习底层配置单元的l u t 和r e g i s t e r 比率的一个重要 意义。这是由于f p g a 内部除了基本可编程逻辑单元外，还有包含有嵌入式的 r a m 、d l l 或者是p l l ，专用的h a r di pc o r e 等，这些模块也能等效出一定规模 的系统门，因此简单科学的方法是用器件的l u t 或r e g i s t e r 数量来衡量。 2 可编程输入输出单元 输入输出( i n p u t o u t p u t ) 单元简称i o 口，它是芯片与外界电路的接口，主 要完成不同电气下对输入输出信号的驱动与匹配。为了能够使得f p g a 有更灵活 的应用，目前大部分f p g a 的i o 单元都被设计成可编程模式，通过软件配置，可 以灵活适应不同电气标准与i o 物理特性；可以调整输出驱动电流的大小；可以调 整匹配阻抗特性等。 一般来说，常见的电器标准有l v c m o s 、l v t t l 、h s t l 、s s t l 、l v d s 、l v p e c l 和p c i 等。随着a s i c 工艺的飞速发展，可编程i o 单元支持的频率越来越高，有 的甚至可以支持高达2 g b i t s 的数据速率。 3 丰富的布线资源 布线资源与f p g a 内部所有单元相连接，连线的长度和工艺决定信号在连线 上的传输速度和驱动能力。布线资源的划分，一些用以完成器件内部的全局时钟 和全局复位置位的布线称为全局性的专用布线资源；用以完成基本逻辑单元间的 逻辑互连与布线称为短线资源；用以完成器件b a n k 间的一些高速信号和一些第二 全局时钟信号( 也可以称为l o ws k e w 信号) 的布线称为长线资源；另外，在逻辑 单元内部还有各种布线资源和专用时钟、复位等控制信号线。 在实现的过程中，一设计者不需要直接选择布线资源，而由布局布线器根据输 入逻辑网表的约束条件和拓扑结构自动选择可用的布线资源连通所用的底层单元 模块，因此设计者通常都忽略布线资源。其实布线资源的优化与使用与实现结果 有着直接的关系。 4 嵌入式块r a m 目前f p g a 基本上都有内嵌模块r a m ( b l o c kr a m ) 。f p g a 内部嵌入了可编 程r a m 模块，拓展了f p g a 的应用范围以及使用灵活性。f p g a 内嵌模块r a m 可以通过灵活配置为单端口r a m ( s p r a m ，s i n g l ep o r tr a m ) 、伪双端口r a m ( p s e u d od p r a m ) 、双端口r a m ( d p r a m ，d o u b l ep o r t sr a m ) 、f i f o ( f i r s ti nf i r s t o u t ) 、c a m ( c o n t e n ta d d r e s s a b l em e m o r y ) 等常用的存储结构。f p g a 中没有专 用的r o m 硬件资源，实现r o m 是通过对r a m 赋予初值，并保持该初值。所谓 c a m ，是指内容地址存储器。写入c a m 的数据会跟其内部存储的每一个数据进 行比较，最后返回与端口数据相同的地址。而r a m 是一种根据地址读写数据的存 储单元；c a m 与r a m 相反，它返回的是与数据相匹配的地址。f i f o 是“先进先 出队列式存储结构。f p g a 实现r a m 、r o m 、c a m 、f i f o 等存储结构都是基 1 2 基于f p g a 高分辨率短时间间隔测量的研究与实现 于嵌入式块r a m 单元，并根据需求生成相应的粘合逻辑( g l u el o g i c ) 完成地址 和片选等逻辑。除了块r a m ，x i l i n x 和l a t t i c e 的f p g a 还可以灵活地将l u t 配 置成r o m 、r a m 、f i f o 等存储结构。 5 底层嵌入功能单元 底层嵌入功能单元的概念比较笼统，这里主要指的是那些通用程度较高的嵌 入式功能模块，如d l l ( d e l a yl o c k e dl o o p ) 、p l l ( p h a s el o c k e dl o o p ) 、c p u 、 d s p 等。随着f p g a 的发展，这些模块越来越多地被嵌入到f p g a 中，来满足不 同场合需求。 目前大多数f p g a 的内部都集成了d l l 或者p l l 硬件电路，用以完成时钟的 高精度、低抖动的分频、倍频、占空比调整、移相等功能。目前，高端的f p g a 产品所集成的d l l 和p l l 功能越来越复杂，精度越来越高( 一般在p s 的数量级) 。 a l t e r a 芯片集成的是p l l ，x i l i n x 芯片集成的是d l l ，l a t t i c e 新型的f p g a 同时集 成了p l l 与d l l 以适应不同的需求。a l t e r a 芯片的p l l 模块分为快速p l l ( f a s t p l l ) 和增强型p l l ( e n h a n c e dp l l ) 等。现在的高端f p g a 产品将包含c p u 或 d s p 等软处理核，从而f p g a 将由传统的硬件设计逐步过渡为系统级设计平台。 6 内嵌专用硬核 内嵌专用硬核与“底层嵌入单元 是有区别的，这里的硬核主要是指那些通 用性相对比较弱，并不是所有f p g a 器件都包含硬核( h a r dc o r e ) 。通常称f p g a 和c p l d 为通用逻辑器件，是用以区分于专用集成电路( a s c i ) 。其实f p g a 有两 个阵营：一方面是通用性较强的，价格适中的f p g a ，目标市场范围很广；另一方 面是针对性较强，价格较高的f p g a ，目标市场明确。前者主要是指低成本f p g a ， 后者主要是指高端通信市场的可编程逻辑器件。例如，x i l i n x 的对应器件族是v i r t e x i ip r o 和v i r t e xi ip r o x ；a l t e r a 的s t r a t i xg x 器件族内部集成了3 1 8 75 g b i 以 s e r d e s ( 串并收发单