海燕论坛

电子发烧友网 > 可编程逻辑 > 正文

基于max7000芯片和可编程逻辑器件实现时间数字转换电路的设计

2020年06月26日 09:45 次阅读

1、引言

时间数字转换(tdc)技术原本是实验核物理中的课题,随着科学技术的不断发展,精密时间数字化技术在高能物理、雷达、和声纳测距、通信测向、遥感成像等都应用了高分辨率的tdc技术,全数字的工艺简单,造价较低,设计难度较小,是设计人员追求的目标,因此,全数字的tdc也成为研究人员关注的问题,文献报道了一种全数字化的模数变换电路(adc),该方法本质上是基于全数字tdc的,以0.8μm cmos工艺在0.45mm2面积上实现了18位全数字的adc,该芯片在10ks/s采样率下可以达到12μv分辨率,非线性度为±0.1%。文献报道了该系统的tdc原理和专用集成电路(asic),用1.5μm的cmas工艺以1.1mm2面积实现了13位的tdc,其分辨率仅为单个门的延时时间,约0.5ns。

本文将文献的方法移植到pld中,pld包括fpgacpld海燕论坛。可以有效地缩短研发周期,提高设计灵活性和重用性,降低设计成本和流片风险,一旦设计成功,所形成的软核可以与工艺脱钩,使设计重用变得十分方便。

文献设计的tdc用环形延迟门单元(rgds)实现时间的分割,结构如图1。该设计采用延时门组成的环形延时单元作为时间信号的测量基础,译码器译码作为低位数字输出,后接环形计数器记录循环次数作为高位数字输出,最后将两组数字合并作为测量结果输出,有效降低了延时门的使用数量,从而减小了芯片面积。

基于max7000芯片和可编程逻辑器件实现时间数字转换电路的设计

将此方法移植到fpga/cpld设计中,需解决以下几个问题:1、延时门的设计和综合问题,2、单门电路延时时间的离散性,使各个门有相对等同的延时时间,3、考虑计数器最高工作频率,4、对所设计电路进行优化,使之在满足指标的情况下,占用较小的芯片资源,所选用的目标芯片经济适用。

本文在altera公司的max系列芯片上实现了上述结构的设计,仿真结果表明,在max系列中的max7000芯片可以达到的最高时间分辨率为3.5ns,硬件也是成功的。

2、基于rgds的tdc系统工作原理

基于rgds的全数字tdc系统由环形延时单元、存与异或单元,编码单元、计数和锁存单元四部分组成,图2是图1中前三部分的电路原理图。rgds部分由63个非门和一个与门组成,其中电路节点po至p63的状态可以反应pa脉冲在非门链中传输所到达的位置,该位置的检测则由锁存与异或单元实现,在通常情况下,非门的输出和输入是反相的,但是对于pa信号在非门链中上传输恰好到达的那个非门来说,其输出和输入是同相的,异或门负责检测非门链中输出和输入相同的那个非门,即可得知信号到达的位置,进而计算出信号在rgds上的传输时间。

海燕论坛 计数和锁存单元是一个7位计数器,其作用是对每一次pa信号传输到终端p63后作一次计数,采用双边沿计数器,该计数相当于在整个tdc过程中的“粗计数”。粗计数加上锁存与异或单元对p0到p63之间的“细计数”,可形成一次tdc过程的完整计数。细计数的值在编码单元形成,作为总计数的低位输出。由于64个非门可以组成6位输出,加上粗计数部分的高7位,组合为该tdc系统的13位最终输出,由此可见,tdc系统的分辨率由rgds中单个门的延时决定,而时间测量的动态范围则主要由计数器的位宽决定,采用rgds结构的asic实现了1.5μm cmos工艺13位的tdc电路,芯片面积1.1mm2,分辨率达到0.5ns。

3 、tdc的pld实现

将此方法移植到fpga/cpld设计要解决若干问题,工具对任何电路综合扩充的是逻辑功能而非特定的电路结构,所以很难得到所需的串联延时门结构,由于可件内部的布局不能保证延时门的一致性,将影响tdc的转换精度,严重时甚至不能正常工作,另外,通用计数器的计数频率受到多种因素的限制,过高的工作速度可能会导致跳码,这也使rgds的结构设计受到一定限制。

海燕论坛 3.1 环形延时单元的设计

如上所述,直接将上述asic设计中的环形延时单元移植到fpga/cpld中是不可行的,即使采用原理图输入的方法,经综合器综合后也得不到所需要的功能结构,原因很简单,eda工具做综合时是从电路输入和输出的逻辑关系出发给出综合结果,进奇数个非门的及联综合为单个非门或将偶数个非门综合为一条连接线,从而无法生成所需的延时结构,而本设计的目的是为了取得各级连非门之间的延时信息,所以简单地直接移植asic设计中的级联非门不能达到此目的,解决方法是将非门改称二端口输入的器件,例如用二输入与门或与非门代替非门,其中一个输入端口的联接方式和非门时情况类似,形成串接关系,将所有门多余的输入端口连接到高电平,此端口在仿真时还可以起到控制作用,但如果门的数量太少时,有可能发生一种情况,即在所有串接门上的延时总和小于计数器正常工作所需的最小时间,此时计数器将产生漏记或跳码现象,使rgds系统发生紊乱,而串接门的数量太多,又会使门延时时间离散的可能性增加,同时编码器的工作速度也决定了门的数量不能太小,因此需要通过仿真取得折衷的设计。

海燕论坛 3.2 延时门的延时离散性

与asic不同,设计者很难预料eda软件布局布线后的情况,而且各种不同结构和性能的pld布局布线的结果也不尽相同,因此很难预计单个门的延时时间,即使通过仿真器海燕论坛得到一个数据,在硬件实验时,情况也会有所相同,而单个门的延时时间是整个系统精度的基本保证,所以有必要研究可资应用的方法。

海燕论坛 本文从三方面考虑:1、通过减少延时环电路中门电路的数量可以有效地减小门延时时间离散的可能性,尽可能选择粗粒度的芯片,引起基本逻辑功能块大,串联门被配置在同一宏单元的可能性较大;3、尽可能选择连续互联型芯片,因其布线延时是相对固定和可预测的,可有效减小布线带来的误差。如上所述,串联门的数量要在计数器和编码器工作速度间做出平衡,按照xilinx的指标,一个16位的计数器最小时间为4.3ns,也就是可以达到232.558mhz的计数频率,在低于此工作频率的条件下,决定延时门的数量一般是可靠的。

通过对max系列大部分芯片做rgds系统两个循环周期的仿真,除了max5000和max9000延时较长未做测试外,其外各种芯片的单门延时时间在3.4-5.1ns。本设计的rgds采用了8个门组成的延时单元,在max7000芯片上实现分辨率为3.5ns的tdc系统,该系统中计数单元稳定工作在34.72mhz,计数时间为28.8ns。

3.3 设计电路优化

这是本设计不可缺少的环节,如采用max+plusii软件时,优化前rgds单元中编码器误码率高,不能正常工作,而经优化后,可以输出稳定准确的数据,可见在移植本方法时设计优化所起的作用,仍以max+plusii为例说明优化的一般过程,对软件优化的设置如下:1、因本设计选用max系列芯片,故选择对该芯片的多层综合选项(multi-level synthesis for max5000/7000/9000 device);2、在面积和速度优化选项中,选择对面积的优化,使rgds尽可能分配到同一个lab中,3、打开“slow slew rate”以降低开关噪声,打开“xor synthesis”以减少芯片面积的占用。4、打开“turbo bit”和“parallel expanders海燕论坛”开关,以对编码通过软件优化。

海燕论坛 4、电路实现和仿真、测试结果

本设计以altera公司的max+plus ii 9.23为设计工具,在max系列芯片上实现。图3为max7000系列的时序仿真结果,其中p0至p7分别为rgds电路单个门之后的电路节点,ct1[7…0]为rgds中各延时门电路的控制端,即所有二端口门中多余的输入的互联,rgds正常工作时被置为高电平;rst为系统复位信号,q1为计数器输出作为tdc系统的高13位输出,为粗计数部分,q0为对rgds编码输出,作为该tdc系统的低3位输出,为细计数部分,此处还应考虑计数器延时和rgds编码输出延时之间的关系,应尽量使其同步,避免编码错位。

海燕论坛 为了解决所设计tdc的硬件测试,专门设计了一个信号控制电路,该电路的tdc可以测量信号发生器所发生的连续脉冲的脉宽,从脉宽的测量可以估算出分辨率。限于条件,硬件测量采用目标芯片max7000s系列的epm7128slc84-15,电压为5v。图4是输入脉宽和测得的计数值关系曲线,共测量了85个值。横坐标是sp1641b型函数信号发生器发生的信号周期(ns),其对应的频率范围为1.4-3.2mhz,纵坐标是计数值。从图中曲线可以看出两者的线性关系,采用epm7128slc84-15的仿真结果,可以得到分辨率为9.8ns和tdc。经测量,在85个测试数据中,测量系统可以分辨出4.14-4.49ns的脉宽差,说明硬件的实际分辨率高于仿真结果,图5是图4中信号周期从160-210ns时的放大图,可以看出计数值无跳码,只有很小的波动,表示设计是完全合理可行的。由于7000s是慢速电路,按照此测量结果,如果采用max7000系列的芯片,完全可以达到或高于仿真结果表明的3.5ns的分辨率。

海燕论坛 通过仿真和硬件测试表明,该设计系统能够准确计数,各项功能均达到预期的要求,整个设计的正确性和完整性得到验证,经优化后的设计,以max系列epm706c44-7为目标芯片的综合报告显示,其1250个门用了54%,转换率最高可达3.5ns,这表明本文的设计思想和实现方法是可行的。

5、结语

采用8个与门电路结构rgds实现的16位tdc系统,才保证计数器稳定的前提下,使rgds中单门延时的离散可能性大大减小。本设计max系列芯片max7000上实现了最高分辨率为3.5ns的tdc系统,仿真数据和硬件测试均表明计数结果稳定准确,由于采用vhdl语言实现设计,所以本设计可方便地移植到其他基于pld的设计中。

责任编辑:gt

下载发烧友APP

打造属于您的人脉电子圈

关注电子发烧友微信

有趣有料的资讯及技术干货

关注发烧友课堂

锁定最新课程活动及技术直播

电子发烧友观察

一线报道 · 深度观察 · 最新资讯
收藏 人收藏
分享:

评论

相关推荐

理解Verilog编码技巧掌握FPGA中状态机的写法掌握非重叠序列检测代器Verilog代码编写
发表于 2020-04-21 00:00 19518次阅读

基于复杂可编程逻辑器件和VHDL语言实现半整数分...

在数字系统设计中,根据不同的设计需要,经常会遇到偶数分频、奇数分频、半整数分频等,有的还要求等占空比....
发表于 2020-06-26 09:36 0次阅读
基于复杂可编程逻辑器件和VHDL语言实现半整数分...

基于CPLD器件实现双主设备PCI总线仲裁器的设...

PCI(Peripheral Component Interconnect)总线是现今最为流行的工业....
发表于 2020-06-26 09:30 4次阅读
基于CPLD器件实现双主设备PCI总线仲裁器的设...

基于CPLD芯片和VerilogHDL语言实现位...

异步串行通信是现代电子系统中最常用的数据信息传输方式之一,一般情况下,为了能够正确地对异步串行数据进....
发表于 2020-06-26 09:29 4次阅读
基于CPLD芯片和VerilogHDL语言实现位...

同步复位电路和异步复位电路区别分析

异步复位信号a是异步复位信号源,异步复位信号b、c、d是到达触发器的异步信号。我们可以看到,b信号是....
发表于 2020-06-26 05:36 92次阅读
同步复位电路和异步复位电路区别分析

FPGA数字电子系统的设计方法

在进行硬件单元电路设计时,必须明确对各单元电路的具体要求,详细拟定出单元电路的性能指标,认真考虑各单....
发表于 2020-06-25 17:09 26次阅读
FPGA数字电子系统的设计方法

无论是从自身的发展,还是从FPGA所拥有的巨大市场来讲,学习FPGA都是一个不错的选择,对大家来说FPGA技术...
发表于 2020-06-23 15:12 120次阅读

从1985年第一颗FPGA诞生至今,FPGA已经历了将近20多个年头,从当初的几百个门电路到现在的几百万门、几千万门...
发表于 2020-06-23 15:04 115次阅读

FPGA的很有发展前景,那你知道FPGA是怎样产生的吗?20世纪60年代,晶体管技术迅速的发展,数字集成电路以双极...
发表于 2020-06-23 13:54 107次阅读

FPGA作为一种高新的技术,已经逐渐普及到了各行各业,无论是消费类、通信类、电子行业,它的身影都无处不在。从19...
发表于 2020-06-23 13:51 101次阅读

ISE 要求在对文件进行综合或布线之前必须要有一个存在的工程,在新建 工程时,需要设置以下几点。 (1)工程名,最...
发表于 2020-06-23 10:37 101次阅读

在 ISE General 中主要有下面几个选项可以进行设置。 (2)图形编辑器(Schematic Editor)。这里可设置跳格键(...
发表于 2020-06-23 10:28 105次阅读

Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1Icons Used in This...
发表于 2020-06-22 18:10 256次阅读

论述单片机、ARM、FPGA和嵌入式系统的特点区...

论述单片机、ARM、FPGA和嵌入式系统的特点区别
发表于 2020-06-20 09:04 734次阅读
论述单片机、ARM、FPGA和嵌入式系统的特点区...

FPGA国内厂商VS国外厂商

FPGA是一个技术壁垒高的行业,有人认为FPGA公司就是半个 IC 设计公司+半个软件公司,硬件结构....
发表于 2020-06-18 15:45 470次阅读
FPGA国内厂商VS国外厂商

闪存转换器为什么以速度快著称?

一旦执行特定任务,FPGA系统必须与现实世界相连接,而所有工程师都知道现实世界是以模拟信号而非数字信....
发表于 2020-06-18 14:42 190次阅读
闪存转换器为什么以速度快著称?

可编程逻辑器材有哪些种类

如今出产可编程ASIC 器材的厂家首要有Xilinx、Altera、Lattice、Actel、At....
发表于 2020-06-18 08:54 142次阅读
可编程逻辑器材有哪些种类

可编程逻辑器材如何选购

 在运用可编程逻辑器材时,能够从以下几个方面进行挑选。
发表于 2020-06-18 08:52 55次阅读
可编程逻辑器材如何选购

在没有综合工具情况下,如何设计数字电路?

虽然在FPGA中,利用综合工具来可以将VHDL或者Verilog代码转化成电路。但是作为FPGA工程....
发表于 2020-06-17 16:33 235次阅读
在没有综合工具情况下,如何设计数字电路?

基于FPGA的除法器纯逻辑设计案例

前边写了很多关于板上外围器件的评测文章,这篇是FPGA纯逻辑设计,是FPGA的另一部分——算法实现,....
发表于 2020-06-17 10:17 751次阅读
基于FPGA的除法器纯逻辑设计案例

可编程阵列逻辑构造_可编程逻辑器材的运用

可编程逻辑器材的根柢电路—可编程二极管与门电路和可编程二极管或门电路已介绍。而按PLD所包括门多少(....
发表于 2020-06-17 09:13 66次阅读
可编程阵列逻辑构造_可编程逻辑器材的运用

可编程逻辑器PLD顶用来寄存数据的根柢单元

编程单元:PLD顶用来寄存数据的根柢单元
发表于 2020-06-17 09:07 37次阅读
可编程逻辑器PLD顶用来寄存数据的根柢单元

可编程逻辑器材原理及构造说明

存储器用来存储二进制信息。依据功用纷歧样,半导体存储器可分为两大类:随机存取存储器(RAM)和只读存....
发表于 2020-06-16 18:04 38次阅读
可编程逻辑器材原理及构造说明

Laplacian算子的FPGA实现方法

拉普拉斯算子是一种重要的图像增强算子,它是一种各向同性滤波器,即滤波器的响应与滤波器作用图像的突变方....
发表于 2020-06-16 17:47 342次阅读
Laplacian算子的FPGA实现方法

FPGA+DSP的高速AD采集处理开发详解

案例说明 1. Kintex-7 FPGA使用SRIO IP核作为Initiator,通过AD961....
发表于 2020-06-15 18:18 498次阅读
FPGA+DSP的高速AD采集处理开发详解

这家国产FPGA换道超车!强攻5G和AI市场!

电子发烧友网报道(文/黄晶晶)FPGA芯片在全球两大巨头的把持下,国产厂商一直盘旋于中低端应用市场。....
发表于 2020-06-15 09:59 2242次阅读
这家国产FPGA换道超车!强攻5G和AI市场!

FPGA国内知名七大厂商

FPGA是可以先购买再设计的“万能”芯片。FPGA(Field-ProgrammableGateAr....
发表于 2020-06-14 10:15 1342次阅读
FPGA国内知名七大厂商

FPGA硬件 国内厂商VS国外厂商

FPGA是可以先购买再设计的“万能”芯片。FPGA(Field-ProgrammableGateAr....
发表于 2020-06-14 09:50 1754次阅读
FPGA硬件 国内厂商VS国外厂商

FPGA在航天领域有什么应用

 现场可编程门阵列 ( Field programmable gatearrays, FPGA) 是....
发表于 2020-06-12 17:43 219次阅读
FPGA在航天领域有什么应用

FPGA在消费电子领域的应用及发展趋势

FPGA——这个从陌生到熟悉、从高贵到平凡、从神秘到充满吸引力……电子应用工程师和设计者们开始思考将....
发表于 2020-06-12 17:31 264次阅读
FPGA在消费电子领域的应用及发展趋势

fpga有哪些应用领域

网络存储产品,特别是现在的NAS,或者SAN设备上,其存储的时间、接口、安全性等都要求较高,而FPG....
发表于 2020-06-11 17:28 254次阅读
fpga有哪些应用领域

RISC-V给FPGA带来了什么机遇

RISC-V的发展速度比我预期的要快得多。我认为这将给FPGA带来一个巨大的机会,使其可以更多地蚕食....
发表于 2020-06-09 15:34 225次阅读
RISC-V给FPGA带来了什么机遇

两大美国寡头垄断FPGA领域35年,国产8大家能...

5月底,据业内人士透露,华为已储备2年的美国关键芯片,尤其希望多储备对5G基站至关重要的进口FPGA....
发表于 2020-06-04 14:34 1558次阅读
两大美国寡头垄断FPGA领域35年,国产8大家能...

如何预防FPGA漏洞StarBleed

今年4月,来自德国的研究者披露了一个名为“StarBleed”的漏洞,它存在于赛灵思的Virtex、....
发表于 2020-06-04 11:24 263次阅读
如何预防FPGA漏洞StarBleed

基于FPGA的工业物联网解决方案

 随着互联网红利逐渐消失,物联网在整体科技发展潮流中顺势而行,成为被普遍看好的新一代产业发展方向。
发表于 2020-06-04 11:11 165次阅读
基于FPGA的工业物联网解决方案

FPGA发展的三个纪元分析

在2020年1月22日于旧金山GlassHouse举办的“下一代FPGA平台(TheNextFPGA....
发表于 2020-06-04 11:03 159次阅读
FPGA发展的三个纪元分析

FPGA内部基本结构包括哪些

FPGA的基本组成有:可编程I\O单元、基本可编程逻辑单元、内嵌RAM块、丰富的布线资源、底层嵌入功....
发表于 2020-06-04 10:55 268次阅读
FPGA内部基本结构包括哪些

FPGA的多芯片封装技术介绍

FPGA封装中的存储器一般是在高密度、高带宽、高带宽、高成本的技术中实现,比如HBM。由于我们是通过....
发表于 2020-06-04 10:37 157次阅读
FPGA的多芯片封装技术介绍

FPGA技术的主要发展方向

FPGA技术之所以具有巨大的潜在市场,其根本原因在于FPGA不仅可以实现电子系统小型化、低功耗、高可....
发表于 2020-06-04 10:26 219次阅读
FPGA技术的主要发展方向

ASIC和FPGA的区别是什么

FPGA(现场可编程门阵列)也是一种IC。顾名思义,只要有合适的工具和适当的专业基础,工程师就可以对....
发表于 2020-06-04 10:10 298次阅读
ASIC和FPGA的区别是什么

使用带有片上高速网络的FPGA的八大好处

NoC的内部由一组行和列组成,它们在整个FPGA逻辑阵列中将网络数据流量从水平和垂直方向上进行分发。
发表于 2020-06-03 16:55 734次阅读
使用带有片上高速网络的FPGA的八大好处

赛灵思宣布推出专为联网和存储加速而优化的 Ult...

VU23P 具备一系列卓越特性,它在 Virtex UltraScale 产品组合中实现了最高的查找....
发表于 2020-06-03 16:47 532次阅读
赛灵思宣布推出专为联网和存储加速而优化的 Ult...

开创先河:探索FPGA虚拟化之路

私有云(如下图)更像单独为一个企业或用户搭建的服务器,这个服务器要能够支持多个用户或多个任务同时执行....
发表于 2020-06-03 16:36 582次阅读
开创先河:探索FPGA虚拟化之路

独家|中国厂商拿下自动驾驶大量订单,看AI如何造...

在资本寒冬及全球汽车销量大规模下滑的情况,早期进入的一批创业公司生存现状如何?本文从自动驾驶行业本身....
发表于 2020-06-03 09:15 5616次阅读
独家|中国厂商拿下自动驾驶大量订单,看AI如何造...

FPGA的基本组成结构

对于FPGA的学习者而言,怎样学习FPGA是大家争论不断的。有的认为要先学习语言,也就是HDL硬件描....
发表于 2020-06-01 09:07 245次阅读
FPGA的基本组成结构

国产化率仅4%,中国FPGA厂商在这些领域发力!

国内FPGA市场大约120亿,其中民用市场100亿,FPGA市场国产率约为4%。面对这样的现状,国产....
发表于 2020-06-01 08:52 4157次阅读
国产化率仅4%,中国FPGA厂商在这些领域发力!

FPGA中隐藏了安全漏洞?给FPGA产业将带来哪...

这段时间,波鸿鲁尔大学霍斯特·戈茨IT安全研究所和马克斯·普朗克网络安全与隐私保护研究所的研究人员在....
发表于 2020-06-01 08:49 126次阅读
FPGA中隐藏了安全漏洞?给FPGA产业将带来哪...

安路科技国产FPGA项目荣获2019上海市科技进...

上海市科学技术奖由上海市人民政府设立,重点奖励科学发现和技术发明原始性创新、促进经济发展方式转变和培....
发表于 2020-05-29 10:14 180次阅读
安路科技国产FPGA项目荣获2019上海市科技进...

什么是FPGA_FPGA的编程技术

FPGA(Field-Programmable Gate Array),即现场可编程门阵列,它是在P....
发表于 2020-05-28 16:40 207次阅读
什么是FPGA_FPGA的编程技术

可编程逻辑器件的原理与结构说明

存储器用来存储二进制信息。根据功能不同,半导体存储器可分为两大类:随机存取存储器(RAM)和只读存储....
发表于 2020-05-28 16:22 178次阅读
可编程逻辑器件的原理与结构说明