數(shù)字信號在不同時(shí)鐘域間同步電路的設(shè)計(jì)

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　　隨著系統(tǒng)應(yīng)用需求的不斷增多和集成電路技術(shù)的快速發(fā)展，大規(guī)模數(shù)字電路中常包含多個(gè)時(shí)鐘域，設(shè)計(jì)中不可避免地要完成數(shù)字信號在不同時(shí)鐘域間的傳遞，這時(shí)，如何保持系統(tǒng)的穩(wěn)定，順利完成控制信號和數(shù)據(jù)通路的傳輸就變得至關(guān)重要，這也是電路設(shè)計(jì)中最為棘手的問題之一。如果不采取一定的措施，控制信號和數(shù)據(jù)通路的接收方極易產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)信號，從而造成電路的同步出錯(cuò)。本文討論了控制信號和數(shù)據(jù)通路的同步，提出了解決方案。

　　1 控制信號的同步技術(shù)

　　控制信號的同步分從快時(shí)鐘域到慢時(shí)鐘域、從慢時(shí)鐘域到快時(shí)鐘域的轉(zhuǎn)換和異步輸入控制信號的同步三種情況。分別采用直接鎖存法和鎖存反饋法來實(shí)現(xiàn)。

　　1.1 直接鎖存法

　　控制信號從慢時(shí)鐘域到快時(shí)鐘域轉(zhuǎn)換時(shí)，由于控制信號的有效寬度為慢時(shí)鐘域周期，需要做特殊處理，保證跨時(shí)鐘域后有效寬度為一個(gè)快時(shí)鐘周期，否則信號轉(zhuǎn)換到快時(shí)鐘域后可能被誤解釋為連續(xù)的多個(gè)控制信號。同步電路如圖1所示，在快時(shí)鐘域?qū)刂菩盘栠M(jìn)行兩級鎖存，由于第二和第三個(gè)觸發(fā)器的輸出延遲一個(gè)快時(shí)鐘周期，將它們做一個(gè)邏輯運(yùn)算，就可以得到有效一個(gè)快時(shí)鐘周期的控制信號。

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　　1.2 鎖存反饋法

　　鎖定反饋法主要解決信號從快時(shí)鐘域向慢時(shí)鐘域過渡時(shí)，如果信號寬度不滿一個(gè)慢時(shí)鐘周期，慢時(shí)鐘可無法對信號進(jìn)行正確采樣的問題，也可用于處理異步輸入信號的同步。如圖2所示，同步裝置由三級觸發(fā)器組成，第一級觸發(fā)器，數(shù)據(jù)輸入端為電源，時(shí)鐘輸入端為控制信號，隨后兩級觸發(fā)器由接收方時(shí)鐘觸發(fā)。發(fā)送方時(shí)鐘域的控制信號到達(dá)后，第一級觸發(fā)器的輸出為高電平，在接收方時(shí)鐘域?qū)π盘栠M(jìn)行兩級鎖存后，若第三級觸發(fā)器輸出為高電平，就將第一級觸發(fā)器清零。由于二三級觸發(fā)器的輸出延遲一個(gè)慢時(shí)鐘周期，將它們做一個(gè)邏輯運(yùn)算，就可以得到有效一個(gè)接收方時(shí)鐘周期的控制信號。

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　　圖1、圖2所示的電路，在接收方的時(shí)鐘域采用兩級觸發(fā)器，大大增加了同步器的平均失效時(shí)間MTF(mean time to failure)，MTF的有關(guān)計(jì)算公式在文獻(xiàn)中給出。計(jì)算表明，對于大多數(shù)的應(yīng)用，兩級鎖存器同步失效的概率很小，足以消除可能出現(xiàn)的亞穩(wěn)態(tài)情況。

　　2 數(shù)據(jù)通路的同步

　　數(shù)據(jù)在不同時(shí)鐘域之間的傳遞，一般不采用上述的同步器，因?yàn)槎辔粩?shù)據(jù)的同時(shí)變化會(huì)使同步器的采樣錯(cuò)誤率大大增加。本文采用異步FIFO實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通路的同步。