КОЛЬЦЕВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ ИМПУЛЬСОВ НА ПЛИС
50 А. В. Медведев, В. А. Чулков
УДК 621.373.54
А. В. МЕДВЕДЕВ, В. А. ЧУЛКОВ
КОЛЬЦЕВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ ИМПУЛЬСОВ НА ПЛИС
Рассмотрены принципы построения и особенности реализации кольцевых генераторов импульсов на ПЛИС. Оценены технологический разброс частоты импульсов генераторов, ее температурная стабильность и чувствительность к уходу питающего напряжения.
Ключевые слова: кольцевой генератор, частота импульсов, время задержки, элемент задержки, программируемая логическая интегральная схема.
Успехи в области микроэлектроники стимулировали развитие цифровых измерительных систем, что позволило осуществлять обработку информации непосредственно на кристалле интегральной схемы в соответствии с концепцией „система на кристалле“ (SOC — System on Chip). Благодаря использованию программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) сократились сроки и стоимость разработки таких систем. По сравнению с заказными микросхемами ПЛИС не достигают предельных для данного уровня технологии характеристик, однако обеспечивают исключительную гибкость проектирования.
Один из основных узлов цифровых систем обработки информации — генератор импульсов — выполняется в современных микросхемах по кольцевой схеме в виде замкнутой цепи буферных каскадов, реализующих функции элементов задержки (ЭЗ). Кольцевые генераторы импульсов (КГИ) широко применяются в системах фазовой синхронизации, средствах устранения нарушения синхронизации микропроцессорных систем, быстрых интерполирующих преобразователях время — код и код — время (генераторах задержки) [1]. КГИ можно рассматривать как мультифазный генератор, импульсы множества выходов которого интерполируют его период, сокращая шаг дискретизации времени. Характеристики генератора непосредственно отражаются на точности, стабильности и функциональных возможностях цифровой системы.
Если в заказной микросхеме ЭЗ можно снабдить средствами управления задержкой и, следовательно, осуществить аналоговое регулирование частоты импульсов КГИ, то в ПЛИС такая возможность затруднена ввиду фиксированной структуры вентилей конфигурируемых блоков и ограниченного количества вариантов их соединений. Однако во многих случаях оказывается достаточным дискретное регулирование частоты и фазы импульсов КГИ путем мультиплексирования множества его выходов [2].
Цель настоящей статьи — выяснение условий возбуждения колебаний, а также оценка технологического разброса и стабильности частоты кольцевого генератора импульсов, построенного на кристалле ПЛИС.
Для предотвращения триггерного эффекта в схеме КГИ используется фазоинверсия сигнала обратной связи (рис. 1, а). Число N элементов задержки дифференциального (парафазного) типа может быть произвольным, в то время как при использовании однофазных ЭЗ их число должно быть обязательно нечетным.
Условие возбуждения и поддержания колебаний в схеме генератора состоит в том, чтобы на заданной частоте при фазовом сдвиге прямой ветви, равном π, коэффициент усиления был не менее единицы. Возможны несколько режимов работы схемы (рис. 1, б) [3]. Если замкнуть выходы единственного элемента на его противофазные входы, то колебания не возникают вследствие невыполнения условия возбуждения. По мере увеличения количества ЭЗ в схеме общий фазовый сдвиг возрастает, и возникают близкие к гармоническим автоколебания с малой амплитудой при коэффициенте усиления, равном единице. Даль-
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 12
Кольцевые генераторы импульсов на ПЛИС
51
нейшее увеличение числа N элементов приводит к возрастанию времени задержки и коэф-
фициента усиления. Это обусловливает увеличение амплитуды выходного напряжения, при
этом форма сигнала приближается к сглаженной трапеции (мягкое ограничение). Наконец,
при существенном увеличении числа элементов каждый из них успевает полностью переключаться, амплитуда сигналов достигает максимума, а их форма
а)
-+ -+
б) U0
Полное Мягкое переключение
ограничение
становится близкой к меандру.
Ориентировочно оценить частоту
колебаний КГИ можно, считая задержку
каждого каскада равной tD. Импульс распространяется через все N элементов за-
-+ -+
Линейный режим
N
держки один раз, обеспечивая фазовый
сдвиг π в течение полупериода NtD .
Рис. 1
После этого импульс инвертируется и второй раз распространяется через те же элементы за-
держки, что обеспечивает общий период 2NtD . Таким образом, частота колебаний оказы-
вается равной
f0
=
2
1 NtD
.
Цифровое регулирование частоты колебаний КГИ на ПЛИС можно осуществить одним
из двух способов: прямым воздействием на частоту путем изменения длины кольца состав-
ляющих его ЭЗ и косвенным воздействием на частоту путем направленного перебора выхо-
дов КГИ [2].
При использовании первого способа (рис. 2, а) кольцо генератора замыкается через такое
количество ЭЗ, которое задается управляющим кодом Х посредством мультиплексора МХ. Час-
тота импульсов определяется приведенным выше выражением. Шаг дискретизации частоты,
равный 1 2N ( N +1)tD , можно сократить практически вдвое до значения 1 2N (2N +1) tD , если
дополнить устройство логическим преобразователем управляющего кода [4].
а) б)
… …
……
Х
D MX A
Y
…… X Σ RG
D MX
Y
A
Рис. 2
Согласно второму способу (рис. 2, б) частота кольцевого генератора остается неизмен-
ной, однако на выход Y устройства выводятся сигналы разных фаз КГИ в соответствии с
управляющим цифровым кодом на адресном входе мультиплексора. Адресный код формиру-
ется аккумулятором (узлом суммирования с обратной связью через регистр RG), который на
каждом такте работы уменьшает текущий адрес мультиплексора на значение Х. В результате
частота импульсов при X
УДК 621.373.54
А. В. МЕДВЕДЕВ, В. А. ЧУЛКОВ
КОЛЬЦЕВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ ИМПУЛЬСОВ НА ПЛИС
Рассмотрены принципы построения и особенности реализации кольцевых генераторов импульсов на ПЛИС. Оценены технологический разброс частоты импульсов генераторов, ее температурная стабильность и чувствительность к уходу питающего напряжения.
Ключевые слова: кольцевой генератор, частота импульсов, время задержки, элемент задержки, программируемая логическая интегральная схема.
Успехи в области микроэлектроники стимулировали развитие цифровых измерительных систем, что позволило осуществлять обработку информации непосредственно на кристалле интегральной схемы в соответствии с концепцией „система на кристалле“ (SOC — System on Chip). Благодаря использованию программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) сократились сроки и стоимость разработки таких систем. По сравнению с заказными микросхемами ПЛИС не достигают предельных для данного уровня технологии характеристик, однако обеспечивают исключительную гибкость проектирования.
Один из основных узлов цифровых систем обработки информации — генератор импульсов — выполняется в современных микросхемах по кольцевой схеме в виде замкнутой цепи буферных каскадов, реализующих функции элементов задержки (ЭЗ). Кольцевые генераторы импульсов (КГИ) широко применяются в системах фазовой синхронизации, средствах устранения нарушения синхронизации микропроцессорных систем, быстрых интерполирующих преобразователях время — код и код — время (генераторах задержки) [1]. КГИ можно рассматривать как мультифазный генератор, импульсы множества выходов которого интерполируют его период, сокращая шаг дискретизации времени. Характеристики генератора непосредственно отражаются на точности, стабильности и функциональных возможностях цифровой системы.
Если в заказной микросхеме ЭЗ можно снабдить средствами управления задержкой и, следовательно, осуществить аналоговое регулирование частоты импульсов КГИ, то в ПЛИС такая возможность затруднена ввиду фиксированной структуры вентилей конфигурируемых блоков и ограниченного количества вариантов их соединений. Однако во многих случаях оказывается достаточным дискретное регулирование частоты и фазы импульсов КГИ путем мультиплексирования множества его выходов [2].
Цель настоящей статьи — выяснение условий возбуждения колебаний, а также оценка технологического разброса и стабильности частоты кольцевого генератора импульсов, построенного на кристалле ПЛИС.
Для предотвращения триггерного эффекта в схеме КГИ используется фазоинверсия сигнала обратной связи (рис. 1, а). Число N элементов задержки дифференциального (парафазного) типа может быть произвольным, в то время как при использовании однофазных ЭЗ их число должно быть обязательно нечетным.
Условие возбуждения и поддержания колебаний в схеме генератора состоит в том, чтобы на заданной частоте при фазовом сдвиге прямой ветви, равном π, коэффициент усиления был не менее единицы. Возможны несколько режимов работы схемы (рис. 1, б) [3]. Если замкнуть выходы единственного элемента на его противофазные входы, то колебания не возникают вследствие невыполнения условия возбуждения. По мере увеличения количества ЭЗ в схеме общий фазовый сдвиг возрастает, и возникают близкие к гармоническим автоколебания с малой амплитудой при коэффициенте усиления, равном единице. Даль-
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 12
Кольцевые генераторы импульсов на ПЛИС
51
нейшее увеличение числа N элементов приводит к возрастанию времени задержки и коэф-
фициента усиления. Это обусловливает увеличение амплитуды выходного напряжения, при
этом форма сигнала приближается к сглаженной трапеции (мягкое ограничение). Наконец,
при существенном увеличении числа элементов каждый из них успевает полностью переключаться, амплитуда сигналов достигает максимума, а их форма
а)
-+ -+
б) U0
Полное Мягкое переключение
ограничение
становится близкой к меандру.
Ориентировочно оценить частоту
колебаний КГИ можно, считая задержку
каждого каскада равной tD. Импульс распространяется через все N элементов за-
-+ -+
Линейный режим
N
держки один раз, обеспечивая фазовый
сдвиг π в течение полупериода NtD .
Рис. 1
После этого импульс инвертируется и второй раз распространяется через те же элементы за-
держки, что обеспечивает общий период 2NtD . Таким образом, частота колебаний оказы-
вается равной
f0
=
2
1 NtD
.
Цифровое регулирование частоты колебаний КГИ на ПЛИС можно осуществить одним
из двух способов: прямым воздействием на частоту путем изменения длины кольца состав-
ляющих его ЭЗ и косвенным воздействием на частоту путем направленного перебора выхо-
дов КГИ [2].
При использовании первого способа (рис. 2, а) кольцо генератора замыкается через такое
количество ЭЗ, которое задается управляющим кодом Х посредством мультиплексора МХ. Час-
тота импульсов определяется приведенным выше выражением. Шаг дискретизации частоты,
равный 1 2N ( N +1)tD , можно сократить практически вдвое до значения 1 2N (2N +1) tD , если
дополнить устройство логическим преобразователем управляющего кода [4].
а) б)
… …
……
Х
D MX A
Y
…… X Σ RG
D MX
Y
A
Рис. 2
Согласно второму способу (рис. 2, б) частота кольцевого генератора остается неизмен-
ной, однако на выход Y устройства выводятся сигналы разных фаз КГИ в соответствии с
управляющим цифровым кодом на адресном входе мультиплексора. Адресный код формиру-
ется аккумулятором (узлом суммирования с обратной связью через регистр RG), который на
каждом такте работы уменьшает текущий адрес мультиплексора на значение Х. В результате
частота импульсов при X