關(guān)于門控組件的高精度低抖動同步技術(shù)研究

阮奧

江漢大學(xué) 湖北 武漢 430058

引言

在惡劣環(huán)境的影響下，傳統(tǒng)微光成像設(shè)備已經(jīng)不能夠在一些工作中實現(xiàn)高分辨率的成像，因此對于水下成像等工作的開展，門控組件精度及抖動控制以及系統(tǒng)延遲精度控制應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步加強。門控組件精度及抖動受到外部觸發(fā)脈沖的影響，為了使門控組件實現(xiàn)同步控制技術(shù)，就要降低外部觸發(fā)脈沖的影響，控制延時和抖動。

1 脈沖形成與延遲脈寬控制設(shè)計

1.1 脈沖形成

門控組件的工作原理就是將脈沖信號從輸入設(shè)備傳輸?shù)娇刂破鳎诳刂破魃线M(jìn)行對比與儲存以后，運用輸出設(shè)備指令電鎖來完成開門動作。在這一過程中，脈沖信號的形成是重點，為了滿足門控組件開關(guān)的需求，對于形成的脈沖信號有著一定的要求，具體脈沖信號的脈寬由總電容量決定，負(fù)載阻抗與電容也決定著脈沖前沿，其具體脈沖形成公式為，其中tw表示脈寬，C0表示單級電容，L0表示單級電感，n表示脈沖形成的線級數(shù)。

1.2 延遲脈寬控制設(shè)計

當(dāng)外部觸發(fā)形成脈沖信號時，延遲單元是這一過程所需的必要功能，對于具體數(shù)值延遲時間的控制是通過選擇延遲脈寬來實現(xiàn)的。一般來說，每個抽頭的延遲時間都是固定的，這是由于延遲單元的配置是固定模式，為了消除時間精度對于給脈沖信號帶來的輸入抖動問題，在外部觸發(fā)形成脈沖信號在經(jīng)過延遲單元后會直接進(jìn)入輸出系統(tǒng)或進(jìn)入到下一個延遲單元。時間精度通常情況下是5ns，而這么短的時間內(nèi)是做不到采取脈沖前沿的，因此在5ns內(nèi)會存在著不能確定的抖動。

想要形成可以調(diào)控脈寬的脈沖信號，就要對外部觸發(fā)輸入過程以及抽頭的輸出過程采取邏輯運算，還要對每個抽頭的延遲時間進(jìn)行控制，將兩個經(jīng)過不同延遲單元輸出的脈沖信號進(jìn)行異或運算，然后再將運算結(jié)果與其中一個脈沖進(jìn)行異或運算，就可以控制該脈沖信號的脈寬，但該邏輯運算方式只能夠在一定范圍內(nèi)控制高精度、低抖動的脈沖脈寬以及延遲時間，對于更加細(xì)致范圍內(nèi)的脈沖不能夠?qū)崿F(xiàn)控制，因此，此時可以采用傳統(tǒng)時間計時方法來進(jìn)行延遲時間和脈寬的控制。通常情況下，門控組件的脈寬和延時值的設(shè)置都會略高，可以達(dá)到幾十微秒，5ns的精度完全足夠。

2 lODELAY模塊設(shè)計

2.1 IODELAY模塊介紹

IODELAY模塊設(shè)計是數(shù)字電路選取脈沖的方法，該方法可以進(jìn)一步提高電路的應(yīng)用范圍以及應(yīng)用精確度，對于控制脈沖延遲和脈寬的能力也能夠提高，能夠?qū)崿F(xiàn)對于脈沖距離的選擇以及控制精確圖像的清晰度，實現(xiàn)脈沖信號輸出的高同步，進(jìn)一步提高成像可靠性。IODELAY模塊是構(gòu)成延遲單元的模塊之一，IODELAY模塊的作用是控制脈沖信號輸出和輸入的數(shù)值，通常情況下，IODELAY模塊的延遲單元是一種環(huán)繞型的延遲單元，具有64個tap，每64個tap所產(chǎn)生的延遲時間可以作為一個參考周期，IODELAY模塊可以作為組合輸入輸出通道，也可以作為寄存器輸入輸出的通道，還能夠直接被使用，在IODELAY模塊中，各脈沖信號可以獨立延遲，與IODELAY延遲單元相連接的端口是什么類型，信號就可以選擇以哪種形式輸入，IODELAY延遲單元所連接的輸出端口是DATAOUT，IODELAY延遲單元的輸入信號端口有三種，分別是DATAIN、ODATAIN以及IDATAIN，若選用ODATAIN作為輸入端口，就不能夠進(jìn)行后期的邏輯處理，本文采用固定操作模式來進(jìn)行輸出數(shù)據(jù)的操作[1]。

2.2 IODELAY的級聯(lián)

使用IODELAY模塊將時間周期分為32個tap，然后運用模塊原語來控制模塊延時時間，要求時間頻率為290-310M或頻率為190-210M。IODELAY模塊之間采用級聯(lián)的方法進(jìn)行連接，保證每個IODELAY模塊都可以單獨輸出，也可以從一個模塊的輸出進(jìn)入到下一個模塊的輸入，這就可以使IODELAY模塊可以作為一個單獨的抽頭，然后通過觀抽頭之間的邏輯運算來進(jìn)行脈沖信號的選取。

將IODELAY的級聯(lián)完成以后就要進(jìn)行綜合的操作，觀察每個延遲單位的分布情況，保證延遲單位的排列方式符合正常順序，若延遲單位的排列順序出現(xiàn)錯亂，則可能會導(dǎo)致內(nèi)線路回繞的現(xiàn)象，最終導(dǎo)致延時時間加大，抽頭的精準(zhǔn)度也會下降，影響邏輯計算，因此，在設(shè)計的過程中要對IODELAY模塊的位置進(jìn)行控制，盡量讓其與輸出端口靠近。

3 功能的驗證

在設(shè)計結(jié)束后要對IODELAY的級聯(lián)邏輯輸出功能進(jìn)行驗證，一般采取的驗證方法為抓取不同方法下同步控制電路板的脈沖輸出，使用的抓取工具為示波器，將脈沖輸出情況展現(xiàn)在示波器的屏幕上，通常選取5ns內(nèi)的脈沖情形，然后通過觀察不同方法的脈沖輸出可以發(fā)現(xiàn)，其他方法下脈沖波形會產(chǎn)生較大的波動，而IODELAY設(shè)計的邏輯方法可以有效降低脈沖波形的波動，對于外部觸發(fā)的抖動有著控制作用，可以實現(xiàn)門控組件的高精度、低抖動同步控制[2]。

4 方法的分析與對比

根據(jù)示波器的脈沖波形圖分析可知，對于脈沖延時和脈沖脈寬的控制僅依靠于時鐘的計算方式是存在著較大缺陷的，這種缺陷是不可避免的，是由于時鐘本身的頻率所導(dǎo)致的，時鐘的最小計時單位為5ns，這5ns內(nèi)，利用時鐘采取脈沖觸發(fā)的上沿會存在著不可控制的抖動，使得組件之間不能夠?qū)崿F(xiàn)同步控制。而通過設(shè)計IODELAY延遲單位，來構(gòu)建邏輯計算方法，可以減少這種抖動頻率，但因為延遲單位的數(shù)量有限，這種方法所能夠調(diào)節(jié)的脈沖延時和脈沖寬度也受到限制，對于大范圍的邏輯計算不能夠?qū)崿F(xiàn)，對于小范圍的調(diào)節(jié)能夠滿足，例如脈寬為200ns，抖動為5ns是能夠?qū)崿F(xiàn)的，但對于脈寬為5ns，抖動大于1.5ns的控制是不能夠?qū)崿F(xiàn)的。

5 結(jié)束語

綜上所述，要實現(xiàn)門控組件的高精度低抖動同步控制，就要基于邏輯運算方法來進(jìn)行設(shè)計控制模式。由本文分析可知門控組件的高精度低抖動同步技術(shù)研究包括：脈沖形成與延遲脈寬控制設(shè)計、IODELAY模塊設(shè)計、同步功能的驗證以及方法的分析與對比。