數(shù)字延遲線工作原理及如何設(shè)計(jì)

1．引言

Kicker電源是“九五”國(guó)家重大科學(xué)工程之一蘭州重離子加速器冷卻儲(chǔ)存環(huán)（HIRFL-CSR）的注入引出系統(tǒng)中一個(gè)重要組成部分 ，電源系統(tǒng)共包括六個(gè)分電源，它們需從共同的信號(hào)源接收信號(hào)，由于要求它們接收到的信號(hào)為同步信號(hào)而又因?yàn)榈乩砦恢弥率蛊浣邮盏男盘?hào)是不可能完全同步的，為使其接收到同步信號(hào)需要在各分電源前端各配置一高速脈沖數(shù)字延遲線，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)使經(jīng)過(guò)數(shù)字延遲線后所有信號(hào)達(dá)到同步的效果。數(shù)字延遲線要求其延遲時(shí)間可調(diào)，時(shí)間范圍為：5ns~300ns。延遲線是用于將電信號(hào)延遲一段時(shí)間的元件或器件，其廣泛使用在雷達(dá)、電子計(jì)算機(jī)、彩色電視系統(tǒng)、通信系統(tǒng)，以及測(cè)量?jī)x器中。

隨著EDA技術(shù)的廣泛應(yīng)用，CPLD已成為現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要手段， CPLD的時(shí)鐘延遲可達(dá)到ns級(jí)，結(jié)合其并行工作方式，在超高速、實(shí)時(shí)測(cè)控方面有非常廣闊的應(yīng)用前景；并且CPLD具有高集成度、高可靠性，幾乎可將整個(gè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)下載于同一芯片中，實(shí)現(xiàn)所謂片上系統(tǒng)，從而大大縮小其體積。CPLD目前正朝著更高速、更高集成度、更強(qiáng)功能和更靈活的方向發(fā)展[2]。采用CPLD來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字延遲線系統(tǒng)，不但大大節(jié)省電路開(kāi)發(fā)費(fèi)用，而且能提高設(shè)計(jì)效率，同時(shí)還能有效實(shí)現(xiàn)電路的數(shù)字化與微型化。

2．?dāng)?shù)字延遲線工作原理

數(shù)字延遲線是將邏輯信號(hào)延遲一段時(shí)間的元件或器件。通常數(shù)字延遲線的設(shè)計(jì)思路是通過(guò)兩個(gè)參數(shù)完全相同的延遲模塊分別對(duì)脈沖的上升沿和下降沿進(jìn)行延遲來(lái)達(dá)到脈沖信號(hào)整體延遲一段時(shí)間的效果。而由于實(shí)際上不可能存在參數(shù)完全相同的延遲模塊使得脈沖前后沿的延遲時(shí)間不可能完全相同，所以這種設(shè)計(jì)的數(shù)字延遲線的延遲精度不可能很高。如果僅用一個(gè)延遲模塊就能同時(shí)完成脈沖前后沿的延遲，這樣就即節(jié)省了電路制作成本又提高了延遲線的延遲精度。本文正是基于這一思想并使用CPLD芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字延遲線的設(shè)計(jì)的。

本數(shù)字延遲線整體思想是：延遲模塊在觸發(fā)信號(hào)上升沿到來(lái)時(shí)開(kāi)始工作，邏輯控制電路控制其輸出為輸入脈沖同相信號(hào)或輸入脈沖反相信號(hào)，邏輯控制電路輸出用于觸發(fā)延遲模塊，在延遲線輸入脈沖上升沿到來(lái)時(shí)，邏輯控制電路輸出為與輸入脈沖同相信號(hào)，進(jìn)而觸發(fā)延遲模塊，在延遲線輸入脈沖下降沿到來(lái)時(shí)，邏輯控制電路輸出為與輸入脈沖反相信號(hào)，該信號(hào)剛好為上升沿，進(jìn)而觸發(fā)延遲模塊進(jìn)行延遲。同時(shí)該數(shù)字延遲線設(shè)計(jì)采用了反饋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)更緊湊，更穩(wěn)定。

延遲線輸入信號(hào)A，其反相信號(hào) ，兩信號(hào)通過(guò)邏輯控制模塊其輸出信號(hào)O1與其中一路信號(hào)同相，該信號(hào)接入可逆計(jì)數(shù)器模塊置位端，當(dāng)O1信號(hào)上升沿到來(lái)時(shí)觸發(fā)可逆計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)結(jié)束后輸出信號(hào)CK觸發(fā)T觸發(fā)器使T觸發(fā)器輸出態(tài)Q和 反相，輸出端Q為該數(shù)字延遲線的輸出端，其相對(duì)輸入信號(hào)A有可逆計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)時(shí)間T的相對(duì)延遲，同時(shí)T觸發(fā)器的輸出端Q和 又作為邏輯控制模塊的選擇控制信號(hào)對(duì)信號(hào)A和 進(jìn)行選擇。初試狀態(tài)下延遲線輸入信號(hào)為低電平，T觸發(fā)器輸出端即延遲線輸出端Q也為低電平，此時(shí)邏輯控制模塊選擇輸入信號(hào)A使其輸出信號(hào)O1和信號(hào)A同相，信號(hào)O1輸入至計(jì)數(shù)器置位端，計(jì)數(shù)器置位端低電平有效，所以O(shè)1使可逆計(jì)數(shù)器處于置位狀態(tài)，使計(jì)數(shù)器輸出端狀態(tài)恒處于預(yù)置位狀態(tài)，計(jì)數(shù)器輸出信號(hào)不發(fā)生改變，即而T觸發(fā)器輸出Q不發(fā)生改變，當(dāng)信號(hào)A上升沿到來(lái)時(shí)，信號(hào)O1上升沿同時(shí)到來(lái)使其變?yōu)楦唠娖?，高電平觸發(fā)計(jì)數(shù)器開(kāi)始減計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)至0時(shí)，計(jì)數(shù)器輸出端經(jīng)或非門(mén)輸出的信號(hào)CK由低電平變?yōu)楦唠娖?，該上升沿觸發(fā)T觸發(fā)器使其輸出端Q反相，由低電平變?yōu)楦唠娖?，同時(shí)T觸發(fā)器的輸出端Q和 作為邏輯控制模塊的選擇控制信號(hào)使其輸出信號(hào)O1變?yōu)榕c 同相，而此時(shí) 為低電平，所以O(shè)1信號(hào)使計(jì)數(shù)器處于置數(shù)狀態(tài)輸出為預(yù)置數(shù)，使得CK有變?yōu)榈碗娖?，T觸發(fā)器不翻轉(zhuǎn)，所有信號(hào)維持此狀態(tài)不變。當(dāng)輸入信號(hào)A出現(xiàn)下降沿，既由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，信號(hào) 出現(xiàn)上升沿使得O1有低電平變?yōu)楦唠娖?，O1觸發(fā)計(jì)數(shù)器減計(jì)數(shù)，減計(jì)數(shù)至0時(shí)，使得CK信號(hào)由低電平變?yōu)楦唠娖?，該上升沿觸發(fā)T觸發(fā)器使器輸出反相，一方面使得邏輯控制模塊輸出信號(hào)變?yōu)榕cA信號(hào)同相，處于低電平使計(jì)數(shù)器處于預(yù)置數(shù)狀態(tài)，使得電路狀態(tài)又恢復(fù)到初始狀態(tài)，當(dāng)輸入信號(hào)A又有脈沖到來(lái)時(shí)，數(shù)字延遲線將會(huì)重復(fù)以上動(dòng)作；另一方面使得輸出端Q出現(xiàn)下降沿，又高電平變?yōu)榈碗娖?，與輸入信號(hào)A同相。整個(gè)過(guò)程來(lái)看T觸發(fā)器輸出Q相對(duì)輸入信號(hào)A剛好有一個(gè)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)時(shí)間Δt的延遲。數(shù)字延遲線電路工作原理的時(shí)序圖如圖1所示。由圖1還可看出，同時(shí)T觸發(fā)器的輸出端 也是數(shù)字延遲線輸入信號(hào) 的延遲信號(hào)。所以該數(shù)字延遲線即可以延遲高電平脈沖，也可以延遲低電平脈沖。

該數(shù)字延遲線電路特點(diǎn)總結(jié)如下：1、電路結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉。而一般延遲線電路都需要兩個(gè)完全相同的電路分別完成對(duì)輸入信號(hào)的上升沿和下降沿的等時(shí)間延遲以實(shí)現(xiàn)數(shù)字延遲線的功能[3]，而且也不可能做到兩電路參數(shù)完全相同。2、邏輯功能強(qiáng)，該延遲線可同時(shí)完成高、低脈沖電平的延遲。3、電路為時(shí)鐘脈沖定時(shí)的延遲線，特別適用于數(shù)字通信、數(shù)字儀表及使用計(jì)算機(jī)的設(shè)備中。電路延時(shí)精度僅取決于時(shí)鐘脈沖CP的周期，受環(huán)境溫度、電源波動(dòng)等因素的影響甚微，所以延遲時(shí)間非常穩(wěn)定、精確，最大誤差只是1個(gè)字的計(jì)數(shù)誤差，時(shí)鐘頻率越大，延遲精度越高。4、電路可編程端即計(jì)數(shù)器預(yù)置數(shù)端DCBA可以由程序控制，DCBA端輸入不同的BCD碼得到不同的延遲時(shí)間的延遲線。延遲時(shí)間Δt=n×1/f，其中，f為時(shí)鐘脈沖CP的頻率，n為DCBA輸入端的BCD碼對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)。5、該數(shù)字延遲線的局限是它只能處理比其延遲時(shí)間長(zhǎng)的脈沖信號(hào)，這也是現(xiàn)今數(shù)字延遲線的局限[4]，但是該電路并不局限于只能處理占空比接近50%的脈沖信號(hào)，而是不受脈沖信號(hào)占空比的限制。

3．系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

高速可程控?cái)?shù)字延遲線系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖如圖所示。Kicker電源需要接收三路信號(hào)：主閘流管脈沖信號(hào)（MS）、從閘流管脈沖信號(hào)（DS）和高壓脈沖信號(hào)（HV），故需要完成對(duì)這三路脈沖信號(hào)的可編程延遲。系統(tǒng)采用CPLD完成對(duì)三路信號(hào)的高速可程控延遲，CPLD外圍電路包括晶體振蕩器、系統(tǒng)復(fù)位電路及DCBA編程。延遲時(shí)間Δt由晶體振蕩器輸出時(shí)鐘頻率f和DCBA編程值共同確定，調(diào)節(jié)范圍為(1 ~ 24-1)/f。DCBA編程值設(shè)置值為0000 ~ 1111，當(dāng)時(shí)鐘頻率f=200MHz時(shí)，延遲時(shí)間調(diào)節(jié)范圍為5ns ~ 75ns，時(shí)間調(diào)節(jié)精度為5ns。

CPLD芯片包括三路數(shù)字延遲線模塊，單模塊的數(shù)字延遲線原理圖如圖3所示，包括MUX模塊、COUNTER_CDL模塊、MYCH模塊、MYTFF模塊和MYSEL模塊。數(shù)字延遲線模塊采用VHDL語(yǔ)言進(jìn)行編程，程序碼較長(zhǎng)，限于篇幅，不再給出其VHDL源程序碼[。

MUX模塊為邏輯控制模塊，輸出Q由控制端SEL電平高低選擇輸出與輸入D0同相或反相。COUNTER_CDL為可逆計(jì)數(shù)器模塊，根據(jù)DCBA編程設(shè)定值對(duì)信號(hào)進(jìn)行延遲，MYCH模塊將總線信號(hào)轉(zhuǎn)換為單路信號(hào)，使輸出信號(hào)僅在總線信號(hào)值為“0000”時(shí)輸出信號(hào)為低電平。MYCH模塊輸出信號(hào)上升沿可觸發(fā)MYTFF模塊輸出反相，MYTFF模塊為T(mén)觸發(fā)器，其輸出即為數(shù)字延遲線信號(hào)，該信號(hào)同時(shí)作為MUX模塊的控制輸入端控制MUX模塊的輸出。當(dāng)DCBA編程設(shè)定值為“0000”時(shí)，MYTFF輸出信號(hào)并不是數(shù)字延遲線輸入信號(hào)，即以上設(shè)計(jì)不能完成零延時(shí)，MYSEL模塊為信號(hào)選擇輸出模塊，在DCBA編程碼為“0000”時(shí)，輸出為延遲線輸入信號(hào)，否則，輸出為編程延遲信號(hào)。

4．仿真及波形

本系統(tǒng)采用的CPLD芯片為ALTERA公司的EPM3032ALC44-4芯片，其最高運(yùn)行頻率為227.3MHz。采用MAX+PLUSⅡ10.0軟件工具開(kāi)發(fā)。設(shè)計(jì)輸入完成后，進(jìn)行整體的編譯和邏輯仿真，然后進(jìn)行轉(zhuǎn)換、延時(shí)仿真生成配置文件，最后下載至CPLD器件，完成結(jié)構(gòu)功能配置，實(shí)現(xiàn)其硬件功能。CPLD芯片EPM3032ALC44-4的各管腳布局如圖4所示。其中clk時(shí)鐘端口采用了芯片的全局時(shí)鐘端，管腳號(hào)為43，輸入信號(hào)為ms、ds和hv，輸出為mso、dso和hvo。各管腳序號(hào)見(jiàn)圖4所示。

數(shù)字延遲線模塊編譯后進(jìn)行仿真，所得仿真波形圖如圖5所示。DCBA編程十進(jìn)制值為4，延遲線輸出信號(hào)Sigout相對(duì)輸入信號(hào)Signal剛好由4個(gè)時(shí)鐘周期的延遲。Clk時(shí)鐘頻率設(shè)定為f=100MHz,即周期T=10ns，所以延遲時(shí)間Δt=4×10=40ns. 延遲線最大延遲誤差只是1個(gè)字的計(jì)數(shù)誤差，所以時(shí)鐘脈沖頻率越高，誤差越小，由于采用的CPLD芯片的最高運(yùn)行頻率為227.3MHz，所以最小延遲誤差約為4.5ns。如果采用工作頻率更高的CPLD芯片，可進(jìn)一步提高延遲誤差的精度。由定時(shí)分析，輸入信號(hào)到輸出信號(hào)傳播延遲為4.5ns，由時(shí)鐘信號(hào)clk到輸出信號(hào)的傳播延遲時(shí)間為9.1ns.

5．結(jié)論

摒棄了傳統(tǒng)的采用兩個(gè)參數(shù)完全相同的延遲模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字延遲線的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)了一種由單一模塊可同時(shí)對(duì)脈沖上升沿和下降沿進(jìn)行延遲的數(shù)字延遲線，并采用了CPLD用以實(shí)現(xiàn)高速可程控?cái)?shù)字延遲線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。另外，該數(shù)字延遲線系統(tǒng)可通過(guò)提高晶振頻率，采用速度更高的CPLD芯片來(lái)進(jìn)一步降低延遲誤差。本文所述系統(tǒng)已完成調(diào)試工作并已開(kāi)始應(yīng)用于蘭州重離子加速器冷卻儲(chǔ)存環(huán)（HIRFL-CSR）的Kicker電源系統(tǒng)中。