在科學研究、通信和一些自動控制中，經常需要精確定時的連續脈沖信號，用于產生測試信號或控制用的時序。脈沖延遲的基本方法可分為數字方法和模擬方法。數字方法采用計數器或存儲器實現延遲控制，其缺點是無法滿足高分辨率的要求；模擬方法采用專用的脈沖延遲器件實現延遲控制，其缺點是抗干擾效果不好，容易產生抖動和電壓不穩等問題。于是我們提出構建數模結合的系統，實現連續脈沖信號的高分辨率延遲。

1 系統功能

本系統擬定對頻率范圍在1~50 kHz左右的TTL電平脈沖序列進行多路延遲處理。各路延遲時間分別由單片機動態設定，最大延遲時間為1 ms，最大分辨率為0.15 ns級。

2 方案選擇

因為所要處理的脈沖序列的脈沖間隔時間大于脈沖延遲時間，不必考慮多脈沖存儲和再生的問題，所以數字方法中選用計數器法，完成延遲量高位部分控制。現存的計數器系統方案大多是基于SRAM的FPGA，其缺點是SRAM中的程序掉電后易丟失，上電后要借助于外圍的單片機重新向SRAM中寫程序，影響了系統的反應速度。為了解決這一問題，系統選用Actel公司的Flash FPGA，掉電后程序不易丟失，提高了系統的反應速度。另外，FPGA中的PLL模塊能對外部時鐘源進行分頻、倍頻，給計數器模塊提供觸發和計數脈沖。這些大大減少了芯片數目，提高了集成度，節省了系統面積和成本。然后，用VHDL語言對FPGA進行編程，實現硬件電路軟件化設計，控制各路時序，完成用數字方法對脈沖信號的延遲控制，此時分辨率可以達到10 ns級。

用模擬方法進行延遲低位部分控制時，選用了DS1020延遲線芯片。只要在電路板上搭建多組以DS1020延遲線芯片為主的電路，就可以同時輸出多路脈沖序列。此時最大延遲分辨率可以達到0.15 ns級。本方案中各路計數器模塊和延遲線的延遲時間均可由MCU編程來動態調整，系統結構框圖如圖1所示。

圖1 系統結構框圖

3 方案實現

系統選用Actel公司的ProASIC3 A3P250芯片實現數字部分。系統時鐘由外部50 MHz晶振提供，時鐘引腳連接到FPGA的CCC全局時鐘引腳上；頻率可以通過FPGA內部的PLL實現倍頻和分頻，設定需要的頻率。因為在多路脈沖延遲方案中電路的同步是保證控制準確的前提，所以應該首先為電路提供一個基準脈沖。通過PLL將50 MHz的頻率倍頻，產生一個100 MHz的低頻觸發脈沖，從而觸發各路計數模塊開始計數。同時，將100 MHz通過另一計數器模塊得到1 kHz的觸發脈沖，此時可以根據需要延遲的范圍通過MCU編程來設定各計數器的初值，產生一個粗延遲的脈沖信號，實現以10 ns為步進的延遲，延遲分辨率為10 ns級。FPGA內部結構如圖2所示。

圖2 FPGA內部結構框圖

FPGA將粗延遲脈沖信號送給多路延遲線芯片DS1020進行低位延遲。實際電路中DS1020的8個并行數據引腳（P0～P7）與MCU相連，MCU通過軟件程序將延遲時間寫入DS1020，并發送指令給EN端口，通知DS1020實現低位延時。通過與MCU相連的8位數據腳實現10 ns以內的延時，最后輸出腳OUTPUT將脈沖信號送至D/A轉換器，再經放大器放大后得到總延遲后的輸出信號。多路延遲線結構框圖如圖3所示。

圖3 多路延遲線結構框圖

4 系統仿真

下面給出了核心部分的RTL圖及QuartusII時序仿真波形。PLL模塊的RTL圖如圖4所示。

計數模塊2的RTL圖如圖5所示。該模塊的輸入clk應連接到頻率為100 MHz的時鐘信號，作為計數脈沖。 en是使能信號， 應連接到經過計數模塊1分頻后得到的1 kHz的時鐘信號上。假設en信號到來，該信號為高電平時，計數器temp開始計數，到達設定的計數時間后輸出高電平，否則為低電平。經過計數模塊2后系統完成粗延遲，此時延遲分辨率為10 ns級。

圖4 PLL模塊RTL圖

圖5 計數模塊2的RTL圖

PLL模塊實現倍頻的功能。其中，輸入clk0應連接頻率為50 MHz的時鐘信號。輸出信號c0為100 MHz，分別送給計數模塊1和2實現分頻和計數脈沖的作用。其仿真波形如圖6所示。

圖6 PLL模塊仿真波形

計數模塊1和2的延遲時間均可由單片機動態寫入，本方針波形寫入的延遲時間為300 ns。延遲后的波形如圖7所示。

結語

本設計不同于現有的延遲電路，它將數字方法圖7延遲后計數模塊2輸出波形和模擬方法相結合，對多路連續脈沖信號進行大范圍高分辨率的動態延遲，將分辨率提高到了0.15 ns級。而且，本系統用Flash FPGA替代現有系統的SRAM FPGA，從而大大提高了系統集成度，降低了成本。

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