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      采用FPGA芯片實現了高精度脈寬測量的方式淺析

      2018年11月03日 11:12 ? 次閱讀

      測量領域以及儀表儀器領域中,對數字信號的測量主要便是對其信號脈沖寬度進行測量。目前使用最多的方式便是脈沖計數的方式,即通過高頻時鐘脈沖在待測信號的低電平處或者高電平處進行計數,然后依照脈沖數量,通過計算的方式得到信號寬度,待測信號獨立于計數時鐘,其信號的上升以及下降沿無法同時鐘邊沿準確的吻合,所以,該方式得到的誤差最大值可以達到一個時鐘周期。例如,若是高頻時鐘為80MHz,那么其最大的誤差量可以達到12.5ns。

      脈沖計數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,一般的計數芯片在這種狀態下無法正常工作,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字移相技術。原始計數時鐘信號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器進行同時驅動,從而完成信號計數。

      2.系統實現

      計數時鐘之間所具有的相位差是該系統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,必須保證系統的柔性以及穩定和精度。文章通過對可編程門陣列,對測量方法予以實現。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總線完成數據的傳送。

      采用FPGA芯片實現了高精度脈寬測量的方式淺析

      各個模塊之間的時序需要予以協調控制,而通過邏輯控制則可以有效的得以時間,并使得系統能夠正常運行。而FIFO 緩沖模塊是在FPGA 芯片中予以實現,另外,邏輯控制也是在該芯片中予以實現的。

      artanII 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始終外協以及延時傳送;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 功能可以實現移相計數模塊的快速構建,從而實現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,實現芯片的方針結果,其仿真結果用Modelsim實現。在RESET 后對計數模塊進行啟動,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可以達到目標要求。

      然后進一步對系統進行誤差分析,系統測量脈寬測量會出現誤差的原因主要是因為系統原理誤差TS、時鐘相移誤差Tp 和信號延遲誤差Td 以及計數時鐘抖晃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,最大的相移誤差可以達到200ps。

      通過分析計算可以得出結果:分別可以得到計數時鐘到各自計數器的延遲時間,控制計數器啟動停止的HF 信號到四個計數器的時間。由于需要的是各計數時鐘間相對延遲時間,故還能得到時鐘相對于HF信號到計數器的延遲。

      數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,這種方式不同于脈沖計數的方式,在精度上更是高出脈沖計數數倍。而該種方式的測量精度還能夠繼續予以提升,主要可以通過以下兩方面予以完善:首先將晶振頻率繼續提高,將FPGA 芯片的速度提升的更快。著也是因為系統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,系統精度會受到信號延遲誤差的影響。通過減少計數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。

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      發表于 2018-10-21 10:58 ? 109次閱讀
      美國新創公司NuPGA利用石墨做為FPGA組件內...

      基于FPGA器件的內塊存儲器資源功能驗證方法設計...

      可編程邏輯陣列(FPGA)由于其具有可編程、上市時間短、靈活性及高吞吐量等特性廣泛應用于數字信號處...

      發表于 2018-10-21 10:32 ? 139次閱讀
      基于FPGA器件的內塊存儲器資源功能驗證方法設計...

      FPGA如何讓視頻編碼與AI非常簡單的結合

      Aupera是一家專注于視頻數據應用的新一代系統解決方案的創業公司,Aupera資深AI工程師Nar...

      發表于 2018-10-20 10:30 ? 485次閱讀
      FPGA如何讓視頻編碼與AI非常簡單的結合

      CRC的計算過程 漢明距離如何計算呢

      第六章的內容在《移動通信》課程中也有涉及,穿插著學習能夠加深記憶。我花了好長時間的講解CRC的寄存器...

      發表于 2018-10-20 09:41 ? 341次閱讀
      CRC的計算過程 漢明距離如何計算呢

      NanoBoard 3000系列FPGA開發板助...

      FPGA正在成為電子產品設計的主流選擇。但對于完全沒有FPGA專業背景的設計工程師而言,在數天之內完...

      發表于 2018-10-20 09:14 ? 65次閱讀
      NanoBoard 3000系列FPGA開發板助...

      CNN高效升級,有一定的可編程性

      2018年7月18日,自適應和智能計算公司賽靈思(Xilinx, Inc.)宣布完成對專注于神經網絡...

      發表于 2018-10-20 09:13 ? 471次閱讀
      CNN高效升級,有一定的可編程性

      英特爾將至強CPU與FPGA加以結合,推出新一代...

      就在昨天,英特爾公司悄然發布了一項面向其芯片產品線的大規模升級方案:芯片巨頭將在近期推出一款將CPU...

      發表于 2018-10-19 16:39 ? 283次閱讀
      英特爾將至強CPU與FPGA加以結合,推出新一代...

      從FPGA到ACAP,賽靈思實現了跳躍性的發展

      讓時光倒退回到2015年,這一年2月份,FPGA龍頭企業賽靈思(Xilinx)發布了業界首款16nm...

      發表于 2018-10-19 16:31 ? 551次閱讀
      從FPGA到ACAP,賽靈思實現了跳躍性的發展

      FPGA內部可編程邏輯資源的結構,CLB資源介紹

      第二種Slice叫SLICEM,電路結構如下。除了LUTS與SLICEL的LUTS不同之外,其余結構...

      發表于 2018-10-18 17:04 ? 408次閱讀
      FPGA內部可編程邏輯資源的結構,CLB資源介紹

      賽靈思聯手華為推出首個使用FPGA的廣播質量級的...

      賽靈思公司(Xilinx)、華為和 NGCodec 今天宣布開發中國首款云端高效率視頻編碼 (HV...

      發表于 2018-10-18 16:55 ? 154次閱讀
      賽靈思聯手華為推出首個使用FPGA的廣播質量級的...

      Intel收購FPGA公司是為了微軟?

      去年Intel宣布斥資167億美元收購了全球第一大FPGA公司Altera,而且這家公司還是Inte...

      發表于 2018-10-18 16:50 ? 480次閱讀
      Intel收購FPGA公司是為了微軟?

      基于FPGA+DSP的高速中頻采樣信號處理平臺

      高速中頻采樣信號處理平臺在實際應用中有很大的前景,提出采用FPGA+DSP的處理結構,結合高性能A/...

      發表于 2018-10-18 16:36 ? 445次閱讀
      基于FPGA+DSP的高速中頻采樣信號處理平臺

      賽靈思CEO:FPGA迎來春天,汽車芯片市場需審...

      現在雖然伴隨著自動駕駛的發展,有了更多的機會,但行業內仍有傳統的汽車芯片巨頭,尊重基本的市場規律是應...

      發表于 2018-10-18 15:17 ? 632次閱讀
      賽靈思CEO:FPGA迎來春天,汽車芯片市場需審...

      華為公司與Xilinx在XDF上聯合發布FX系列...

      2018年10月16日, 中國北京 (賽靈思開發者論壇) –今日, 華為在賽靈思開發者論壇( XDF...

      發表于 2018-10-17 13:42 ? 399次閱讀
      華為公司與Xilinx在XDF上聯合發布FX系列...

      一文教你如何破解MCU

      中央處理器CPU,包括運算器、控制器和寄存器組。是MCU內部的核心部件,由運算部件和控制部件兩大部分...

      發表于 2018-10-16 16:45 ? 182次閱讀
      一文教你如何破解MCU

      TMP411 ±1°C Programmable...

      TMP411設備是一個帶有內置本地溫度傳感器的遠程溫度傳感器監視器。遠程溫度傳感器,二極管連接的晶體管通常是低成本,NPN或PNP型晶體管或二極管,是微控制器,微處理器或FPGA的組成部分。 遠程精度為±1 °C適用于多個設備制造商,無需校準。雙線串行接口接受SMBus寫字節,讀字節,發送字節和接收字節命令,以設置報警閾值和讀取溫度數據。 TMP411器件中包含的功能包括:串聯電阻取消,可編程非理想因子,可編程分辨率,可編程閾值限制,用戶定義的偏移寄存器,用于最大精度,最小和最大溫度監視器,寬遠程溫度測量范圍(高達150°C),二極管故障檢測和溫度警報功能。 TMP411器件采用VSSOP-8和SOIC-8封裝。 特性 ±1°C遠程二極管傳感器 ±1°C本地溫度傳感器 可編程非理想因素 串聯電阻取消 警報功能 系統校準的偏移寄存器 與ADT7461和ADM1032兼容的引腳和寄存器 可編程分辨率:9至12位 可編程閾值限...

      發表于 2018-09-19 16:35 ? 8次閱讀
      TMP411 ±1°C Programmable...

      TMP468 具有引腳可編程的總線地址的高精度遠...

      TMP468器件是一款使用雙線制SMBus或I 2 C兼容接口的多區域高精度低功耗溫度傳感器。除了本地溫度外,還可以同時監控多達八個連接遠程二極管的溫度區域。聚合系統中的溫度測量可通過縮小保護頻帶提升性能,并且可以降低電路板復雜程度。典型用例為監測服務器和電信設備等復雜系統中不同處理器(如MCU,GPU和FPGA)的溫度。該器件將諸如串聯電阻抵消,可編程非理想性因子,可編程偏移和可編程溫度限值等高級特性完美結合,提供了一套精度和抗擾度更高且穩健耐用的溫度監控解決方案。 八個遠程通道(以及本地通道)均可獨立編程,設定兩個在測量位置的相應溫度超出對應值時觸發的閾值。此外,還可通過可編程遲滯設置避免閾值持續切換。 TMP468器件可提供高測量精度(0.75°C)和測量分辨率(0.0 625°C)。該器件還支持低電壓軌(1.7V至3.6V)和通用雙線制接口,采用高空間利用率的小型封裝(3mm×3mm或1.6mm×1.6mm),可在計算系統中輕松集成。遠程結支持-55°C至+ 150°C的溫度范圍。 特性 8通道遠程二極管溫度傳感器精度:±0.75&...

      發表于 2018-09-18 16:05 ? 4次閱讀
      TMP468 具有引腳可編程的總線地址的高精度遠...
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