基于數(shù)字移相的高精度脈寬測量系統(tǒng)及其FPGA實現(xiàn)

　　在測量與儀器儀表領域,經常需要對數(shù)字信號的脈沖寬度進行測量.這種測量通常采用脈沖計數(shù)法,即在待測信號的高電平或低電平用一高頻時鐘脈沖進行計數(shù),然后根據(jù)脈沖的個數(shù)計算待測信號寬度,如圖1所示.待測信號相對于計數(shù)時鐘通常是獨立的,其上升、下降沿不可能正好落在時鐘的邊沿上,因此該法的最大測量誤差為一個時鐘周期.例如采用80MHz的高頻時鐘,最大誤差為12.5ns.

提高脈沖計數(shù)法的精度通常有兩個思路:提高計數(shù)時鐘頻率和使用時幅轉換技術.時鐘頻率越高,測量誤差越小,但是頻率越高對芯片的性能要求也越高.例如要求1ns的測量誤差時,時鐘頻率就需要提高到1GHz,此時一般計數(shù)器芯片很難正常工作,同時也會帶來電路板的布線、材料選擇、加工等諸多問題.時幅轉換技術雖然對時鐘頻率不要求,但由于采用模擬電路,在待測信號頻率比較高的情況下容易受噪聲干擾,而且當要求連續(xù)測量信號的脈寬時,電路反應的快速性方面就存在一定問題.

　　區(qū)別于以上兩種方法,本文提出另一種利用數(shù)字移相技術提高脈寬測量精度的思路并使用FPGA芯片實現(xiàn)測試系統(tǒng).

　　1 測量原理

　　所謂移相是指對于兩路同頻信號,以其中一路為參考信號,另一路相對于該參考信號做超前或滯后的移動形成相位差.數(shù)字移相通常采用延時方法,以延時的長短來決定兩數(shù)字信號間的相位差,本文提出的測量原理正是基于數(shù)字移相技術.如圖2所示,原始計數(shù)時鐘信號CLK0通過移相后得到CLK90、CLK180、CLK270,相位依次相差90°,用這四路時鐘信號同時驅動四個相同的計數(shù)器對待測信號進行計數(shù).設時鐘頻率為f,周期為T,四個計數(shù)器的計數(shù)個數(shù)分別為m1、m2、m3和m4,則最后脈寬測量值為:

　　w=[(m1+m2+m3+m4)/4]×T　 (1)

　　可以看到,這種方法實際等效于將原始計數(shù)時鐘四倍頻,以4f的時鐘頻率對待測信號進行計數(shù)測量,從而將測量精度提高到原來的4倍.例如原始計數(shù)時鐘為80MHz時,系統(tǒng)的等效計數(shù)頻率則為320MHz,如果不考慮各路計數(shù)時鐘間的相對延遲時間誤差,其測量的最大誤差將降為原來的四分之一,僅為3.125ns.同時,該法保證了整個電路的最大工作頻率仍為f,避免了時鐘頻率提高帶來的一系列問題.