基于FPGA的自適應(yīng)同步器電路設(shè)計(jì)詳解

在許多高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)正確鎖存是設(shè)計(jì)者必須要面對(duì)的問(wèn)題。特別是在內(nèi)部時(shí)鐘與外部時(shí)鐘采用同一個(gè)時(shí)鐘源的基于FPGA的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，由于走線延時(shí)、器件延時(shí)、FPGA輸入管腳延時(shí)，導(dǎo)致FPGA輸入數(shù)據(jù)與FPGA內(nèi)部時(shí)鐘的相對(duì)相位關(guān)系不確定；在時(shí)鐘頻率可變的情況下，相對(duì)相位關(guān)系還會(huì)隨頻率變化。在FPGA內(nèi)部一般采用D觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入數(shù)據(jù)的采樣。為了避免亞穩(wěn)態(tài) ，D觸發(fā)器要求輸入數(shù)據(jù)相對(duì)時(shí)鐘沿滿足一定的建立、保持時(shí)間，即輸入數(shù)據(jù)與FPGA內(nèi)部時(shí)鐘要滿足一定的相位關(guān)系。由于輸入數(shù)據(jù)與采樣時(shí)鐘相對(duì)相位的不確定性，就有可能不滿足FPGA內(nèi)部D觸發(fā)器的建立、保持時(shí)間，出現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)。針對(duì)上述情況，本文給出在FPGA中可以自適應(yīng)地選擇時(shí)鐘上升沿或下降沿采樣的自適應(yīng)同步器電路設(shè)計(jì)。該電路能夠檢測(cè)鎖存時(shí)鐘上升沿與輸入數(shù)據(jù)跳變的相位關(guān)系，由檢測(cè)結(jié)果選擇上升沿采樣或下降沿采樣，使數(shù)據(jù)變化避開(kāi)時(shí)鐘沿的亞穩(wěn)態(tài)窗 ，降低出現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)的概率。

1 某雷達(dá)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)簡(jiǎn)介

圖1所示為某雷達(dá)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集原理圖，該雷達(dá)系統(tǒng)有兩種帶寬，要求兩種采樣頻率，采樣時(shí)鐘由FPGA產(chǎn)生。設(shè)計(jì)采用了ECL輸出電平標(biāo)準(zhǔn)的ADC，F(xiàn)PGA輸入輸出采用LVTTL標(biāo)準(zhǔn)。因此，F(xiàn)PGA輸出時(shí)鐘以及ADC數(shù)據(jù)送入FPGA均需要采用電平轉(zhuǎn)換芯片。這樣，F(xiàn)PGA輸出時(shí)鐘的上升沿到相應(yīng)FPGA輸入管腳上升沿之間（圖1中C點(diǎn)到D點(diǎn)）有8～9ns的延時(shí)。相同的延時(shí)，不同的采樣頻率，輸入數(shù)據(jù)與采樣時(shí)鐘的相對(duì)相位不同；而且由于FPGA內(nèi)部布線延時(shí)的不確定性，采樣時(shí)鐘與輸入數(shù)據(jù)的相對(duì)相位會(huì)隨著每次重新布局布線而改變，這兩種情況都可能導(dǎo)致不滿足D觸發(fā)器的建立、保持時(shí)間，導(dǎo)致采樣失效。

如圖2所示，在FPGA內(nèi)部若采用上升沿鎖存數(shù)據(jù)，對(duì)于115MHz采樣頻率可以保證正確采樣，對(duì)于85MHz的采樣頻率，有可能出現(xiàn)采樣失效；反之，若采用下降沿鎖存數(shù)據(jù)，115MHz的采樣頻率可能出現(xiàn)采樣失效。

解決上述問(wèn)題的難點(diǎn)在于預(yù)測(cè)輸入數(shù)據(jù)與采樣時(shí)鐘的相位關(guān)系，從而選擇合適的采樣時(shí)鐘沿。采用圖1所示的采樣方案，經(jīng)常出現(xiàn)某一種采樣頻率采樣失效的情況，如115MHz采樣頻率采樣正常，而85MHz采樣頻率采樣失效。自適應(yīng)同步器可以預(yù)測(cè)采樣時(shí)鐘與輸入數(shù)據(jù)的相位關(guān)系，自適應(yīng)地選擇上升沿或下降沿采樣，降低出現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)的概率。

2 自適應(yīng)同步器原理

自適應(yīng)同步器能夠預(yù)測(cè)采樣時(shí)鐘上升沿與輸入數(shù)據(jù)的相位關(guān)系。如果相位關(guān)系不能滿足D觸發(fā)器的建立、保持時(shí)間，則自適應(yīng)同步器能自適應(yīng)地對(duì)數(shù)據(jù)或者時(shí)鐘作延時(shí)調(diào)整，直到滿足建立、保持時(shí)間。

根據(jù)同步器延時(shí)調(diào)整對(duì)象不同，同步器可以分為時(shí)鐘延時(shí)同步器和數(shù)據(jù)延時(shí)同步器。下面給出兩種同步器的實(shí)現(xiàn)原理。

2.1 時(shí)鐘延時(shí)同步器

圖3所示為時(shí)鐘延時(shí)同步器，沖突檢測(cè)電路檢測(cè)輸入數(shù)據(jù)與時(shí)鐘沿的相位關(guān)系，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果由狀態(tài)機(jī)自適應(yīng)選擇時(shí)鐘是否延時(shí)。圖3中時(shí)鐘延時(shí)單元可實(shí)現(xiàn)時(shí)間為T的延時(shí)，延時(shí)單元若為一非門，該電路就是一個(gè)簡(jiǎn)單的時(shí)鐘上升沿采樣或者下降沿采樣的自適應(yīng)選擇電路。

該電路具有相對(duì)簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)。但是由于時(shí)鐘延時(shí)只有兩種選擇，不可能實(shí)現(xiàn)相位的精確匹配，很難適應(yīng)一些超高速電路的需求。該電路一般選取數(shù)據(jù)總線中的某一位做相位匹配，因此要求數(shù)據(jù)總線上各位數(shù)據(jù)延時(shí)盡可能相等。

2.2 數(shù)據(jù)延時(shí)同步器

圖4所示電路為數(shù)據(jù)延時(shí)同步器，輸入數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)若干級(jí)延時(shí)單元的延時(shí)，沖突檢測(cè)電路檢測(cè)時(shí)鐘上升沿與各級(jí)延時(shí)數(shù)據(jù)的相位關(guān)系，由狀態(tài)機(jī)選擇較為理想的延時(shí)數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)延時(shí)同步器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的精確延時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)超高速數(shù)據(jù)或DDR數(shù)據(jù)的鎖存。但是，由于大量延時(shí)單元的使用，增加了FPGA設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，實(shí)現(xiàn)較為困難。

3 自適應(yīng)同步器在采樣系統(tǒng)中的應(yīng)用

圖5所示電路為自適應(yīng)同步器在圖1所示的某雷達(dá)采樣系統(tǒng)中的應(yīng)用。圖5中采樣時(shí)鐘、D觸發(fā)器組與圖1中相同，只是圖5中D觸發(fā)器組的時(shí)鐘改為同步時(shí)鐘，BUFG為Xilinx FPGA內(nèi)部的全局時(shí)鐘緩沖。自適應(yīng)同步器檢測(cè)同步時(shí)鐘與數(shù)據(jù)最低位data［0］的相對(duì)相位，自適應(yīng)地選擇采樣時(shí)鐘，達(dá)到同步輸入數(shù)據(jù)的目的。由于數(shù)據(jù)總線只選取其中一位data［0］，因此要求總線上各位數(shù)據(jù)延時(shí)盡可能相等。

4 自適應(yīng)同步器的FPGA實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)延時(shí)同步器實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜，尤其對(duì)于位數(shù)較多的數(shù)據(jù)總線，需要占用很多資源，狀態(tài)機(jī)也較復(fù)雜。但其實(shí)現(xiàn)原理與時(shí)鐘延時(shí)同步器基本相同，本文只給出時(shí)鐘延時(shí)同步器的實(shí)現(xiàn)。圖6所示電路為自適應(yīng)同步器，其中del為延時(shí)單元，延時(shí)時(shí)間計(jì)為T_del；me_p為data上升沿與時(shí)鐘上升沿的沖突檢測(cè)模塊，me_n為data下降沿與時(shí)鐘上升沿的沖突檢測(cè)模塊；fsm為有限狀態(tài)機(jī)。當(dāng)data跳變發(fā)生在時(shí)鐘上升沿［-T_del，T_del］時(shí)間之內(nèi)時(shí)，電路輸出sel有效。

4.2 突檢測(cè)單元me_p，me_n的實(shí)現(xiàn)

圖8為沖突檢測(cè)單元me_p的原理圖。該電路可以實(shí)現(xiàn)兩路輸入信號(hào)上升沿的相位檢測(cè)，如果輸入信號(hào)r1上升沿較r2的上升沿提前，則g1輸出為‘1’，g2為‘0’；否則g1輸出為‘0’，g2為‘1’。在FPGA實(shí)現(xiàn)時(shí)，采用基于四輸入查找表（LUT4）的設(shè)計(jì)，對(duì)于布局布線要盡可能保持對(duì)稱性，需要加入布局約束、甚至布線約束。圖9為經(jīng)Synplify綜合后的原理圖。

沖突檢測(cè)單元me_n可以實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)r1下降沿與輸入信號(hào)r2上升沿的相位檢測(cè)，原理同me_p。對(duì)于me_n的實(shí)現(xiàn)，只要在配置FPGA查找表（LUT）時(shí)，將圖9中I0單元（LUT4_7FFF）改為“LUT4_DFFF”即可。

4.3 狀態(tài)機(jī)的實(shí)現(xiàn)

圖10為自適應(yīng)同步器狀態(tài)機(jī)，輸入為conflict，輸出為sel。狀態(tài)機(jī)共8個(gè)狀態(tài)，狀態(tài)為S0、S1、S2、S3時(shí)，輸出為‘0’，選擇圖（5）所示‘sam_clk’；否則輸出為‘1’，選擇‘sam_clk’的反向時(shí)鐘‘～sam_clk’；中間態(tài)S0、S1、S2以及S4、S5、S6可以有效防止?fàn)顟B(tài)機(jī)振蕩。圖10中′x′表示任意狀態(tài)。

上述自適應(yīng)同步器已經(jīng)過(guò)圖1所示的雷達(dá)采樣系統(tǒng)的驗(yàn)證。采樣頻率在20MHz到140MHz范圍內(nèi)變化時(shí)，未出現(xiàn)采樣失效。

4.1 延時(shí)單元的FPGA實(shí)現(xiàn)

圖7為延時(shí)單元電路，采用FPGA內(nèi)部的LUT4作延時(shí)。由于FPGA內(nèi)部布線延時(shí)與LUT4延時(shí)相比不可忽略，因此需要對(duì)LUT4作相對(duì)布局約束，必要時(shí)還要作布線約束。