在低成本FPGA中實現動態相位調整

在FPGA中，動態相位調整(DPA)主要是實現LVDS接口接收時對時鐘和數據通道的相位補償，以達到正確接收的目的。ALTERA的高端FPGA，如STRATIX(r) 系列中自帶有DPA電路，但低端的FPGA，如CYCLONE(r)系列中是沒有的。本文主要闡述如何在低端FPGA中實現這個DPA的功能。

實現架構

在LVDS輸入接收時，時鐘和數據的相位可能是不確定的，因此我們需要將時鐘的相位作出調整，使得時鐘能穩定的采集到輸入數據。工作的核心就是用鎖相環PLL的相位調整功能，產生若干個時鐘的不同相位，看哪些相位能準確的采集到輸入數據，然后取窗口中間的一個時鐘相位，作為正常工作時的采樣時鐘。比如通過PLL產生0，45，90，135，……，315度8個相移的時鐘，如果0，45，90度相移的時鐘能正確采樣到輸入，那么最后選取中間相位，即45度的時鐘作為采樣時鐘。這樣接口上具有最大的時序裕量，從而保證鏈路的可靠性。圖1為這個設計的基本結構，通過PLL調整相位的接口，產生了時鐘的不同相位來采集數據，最后選擇一個最合適的相位。

CYCLONE系列的PLL的相位調整接口時序如圖2所示，當用戶邏輯控制phasestep, phasecounterselect與phaseupdown信號時，PLL的輸出時鐘C0就改變一次相位。在QII生成PLL時，用戶必須選上create optional inputs for dynamic phase reconfigure，否則缺省是不會有這些管腳的，如圖3所示。另外必須在output clock tab中寫入phase shift step resolution的值，這樣才能確定每次相位調整的步長。

應用實例

本例中的參考設計采用CYCLONE3器件，與ADI公司的ADS5277接口，已經在硬件上測試過，證明是有效的。ADS5277是一款8通道高速ADC芯片，主要用于超聲設備以及測試設備中。圖4是該參考設計電路框圖。

ADS5277送到FPGA的是一個192MHz的時鐘，8路LVDS數據，速率是384Mbps。上電復位后ADS5277發送的數據是‘0101010101……’，FPGA啟動DPA電路，準確確定時鐘相位后再通過控制信號，使得ADS5277發送‘000000111111……’這樣的PATTERN，FPGA可以確定字的邊界，這一步成功以后，FPGA就可以通過控制信號讓ADS5277發送正常工作時的數據，因為經過了時鐘相位調整這一過程，以后的數據采樣是非常穩定的，不會受到溫度電壓變化來的影響。

當然這個設計可以和所有LVDS發送芯片接口，并不只限于ADS5277。甚至可以應用于ALTERA高端FPGA中，比如STRATIX4的帶有DPA專用電路的管腳只分布在左右BANK，而用到這個設計的話，上下BANK的IO也能使用。DPA設計所消耗的邏輯資源是非常小的，選用器件為3C16F256C8, 如表1所示。

圖1、在FPGA中實現DPA設計架構。

圖2、PLL的相位調整接口時序。

圖3、

圖4、參考設計電路框圖。

表1、資源消耗

林斌

蔡海寧

Altera公司