基于FPGA的高精度脉冲宽度测量

中南民族大学毕业论文（设计）学院：电子信息工程学院专业：通信工程年级：2011题目:基于FPGA的高精度脉冲宽度测量学生姓名：╳╳╳学号：╳╳╳╳╳指导教师姓名:╳╳职称:副教授2015年5月26日中南民族大学本科毕业论文（设计）原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：年月日注：本页放在学位论文封面后，目录前面目录摘要......................................................................1Abstract..................................................................11、引言...................................................................22、脉冲及脉冲参数测量的理论与定义........................................22.1脉冲的简单定义....................................................22.2脉冲参数的简单定义................................................22.3脉冲宽度测量的背景及实际意义......................................33、常用的脉冲宽度测量方法介绍.............................................33.1用示波器直接测量脉冲宽度..........................................33.2基于定时/计数器测量脉冲宽度的一般原理及采用的方法.................43.3基于单片机的脉冲宽度测量..........................................53.4基于FPGA的脉冲宽度测量...........................................53.5脉宽测量方案比较及确定............................................64、基于FPGA脉宽测量的相关技术与开发工具..................................64.1EDA的简单介绍及主要特征...........................................64.1.1EDA的简单介绍...............................................64.1.2EDA的主要特征...............................................74.2FPGA的基本结构....................................................84.2.1可编程逻辑块CLB.............................................84.2.2输入/输出模块IOB............................................84.2.3可编程互连资源IR............................................94.3开发工具QuartusII简介..........................................95、基于FPGA的脉冲宽度测量的总体设计.....................................105.1基本原理.........................................................105.2系统总框图.......................................................105.3QuartusII设计流程...............................................116、测量方案详细设计及仿真结果............................................116.1数字移相技术.....................................................116.2测量方案详细设计.................................................136.3测量方案仿真结果.................................................147、总结..................................................................15致谢....................................................................16参考文献.................................................................161基于FPGA的高精度脉冲宽度测量摘要本次设计采用了基于数字移相技术结合FPGA的脉冲宽度测量方法。即通过FPGA内部锁连环模块的延时功能对时钟信号CLK0进行处理，依次移相900，形成另外三路时钟信号CLK90，CLK180和CLK270，分别使用以上四路时钟信号驱动思路计数器对待测脉冲进行测量。然后在Altera公司的QuartusII7.2环境下选用StratixIII系列的EP3SE50F484C2芯片进行设计仿真。首先，利用QuartusII提供的锁相环模块（PLL）生成四路一次相差900相位的250MHz的时钟信号，然后利用QuartusII提供的计数模块（COUNTER）产生四个计数模块，分别由计数时钟信号CLK0，CLK90，CLK180和CLK270驱动，在脉冲宽度内进行计数。利用QuartusII提供的加法器模块（ADD）对四个计数值进行相加，加法器最后输出的数值就是测量得到的脉冲宽度。仿真出的三路信号中，测量误差均在1ns以内，故而测量误差为ns量级，达到设计要求。关键词：脉冲宽度、脉冲计数法、EDA技术、FPGA、QuartusII。MeasurementofpulsewidthbasedonFPGAAbstractThedesignusesadigitalphaseshifttechnologycombinedwiththepulsewidthmeasurementmethodofFPGA.TheFPGAthroughinternallockserialmoduledelayfunctionofCLK0clocksignalprocessing,followedbyphaseshifting900,formingthreeotherclocksignalCLK90,clk180,andCLK270,respectively,usingtheabovefourclocksignaldrivingideascountertreatthemeasuredpulseweremeasured.Then,theIIIQuartusseriesEP3SE50F484C2StratixisdesignedandsimulatedintheIIAltera7.2environment..First,usingtheQuartusIIphase-lockedloopmodule(PLL)generationQuadadifferenceof900phase250MHzclocksignal,andthenusetheQuartusIIprovidesthecountingmodule(counter)producedfourcountingmodule,respectivelybythecountoftheclocksignalCLK0,CLK90,clk180,andCLK270drive,inpulsewidthwerecounted.ThesumofthelastoutputoftheadderismeasuredbythesumoftheIIQuartusprovidedbytheaddermodule(ADD)ofthefourmeter..Theerrorofthethreesignalsiswithinthe1ns,andtheerrorisoftheorderofNS,andthedesignrequirementsaremet.Keywords:pulsewidth,pulsecountingmethod,EDAtechnology,FPGA,QuartusII.21、引言随着数字信号处理、计算机、无线电等技术的飞速发展，脉冲技术也随之有着越来越广的应用。无论在军事、航天等高科技领域，还是无线电通信、电视、医疗等民用领域，脉冲技术都在为其提供着强力的支持。而在脉冲技术及其应用领域中，测量是一个不可或缺的环节。测量的数据直接影响到科研以及应用，有效的测量结果应该为相应的研发提供最有力而直接的证据。在脉冲的幅度、周期、上升时间、下降时间、宽度等众多参数中，脉冲宽度这个参数显得尤为重要。如何高效准确的测量脉冲宽度已经日益被科研人员们提上日程。在本文中，作者将介绍利用FPGA以及EDA技术精确测量脉冲宽度的方法。2、脉冲及脉冲参数测量的理论与定义2.1脉冲的简单定义脉冲即一种电压或者电流的短暂冲击。它与一般常见的正弦波的区别在于不是连续波形而是断续波形。即在时间轴上两个信号波形之间存在有零或常量电压或者电流的间隔。2.2脉冲参数的简单定义当给脉冲下了定义后，并未说明脉冲的形状和它的特征，为了表达脉冲波形和特征，下面针对矩形脉冲给出一些参数。图2-1理想的矩形脉冲图2-2现实的矩形脉冲图2-1为理想的矩形脉冲。图2-2是现实的矩形脉冲波形，它与理想脉冲之间存在一定的差异，可以认为是梯形脉冲。下面分别对图2-3中的非理想矩形脉冲各参数加以叙述。①脉冲幅度：指脉冲底值和顶值这两个量值之间的差值。如图2-4中的A。②脉冲上升时间（前沿过度时间）：指脉冲幅度从10%上升到90%的这段时间。③脉冲下降时间（后沿过度时间）：指脉冲幅度从90%下降到10%的这段时间。3④脉冲宽度：指脉冲宽度为50%的两点对应的时间间隔，如图2-4中所示的τ。2.3脉冲宽度测量的背景及实际意义在上一节里介绍的众多脉冲参数中，脉冲宽度显得尤为重要，也是本论文讨论与研究的主要内容，下面将来给脉宽测量的背景及实际意义做个简单介绍。在当今数字信息时代，脉冲宽度测量是计算机、通讯设备、音频视频等科研生产领域不可或缺的一项技术手段。脉宽的计算依赖于周期，周期是频率的倒数，而频率又是电子技术领域永恒的话题，为了得到性能更好的电子系统，科研人员在不断地研究着频率，CPU就是用频率的高低来评价其性能的好坏，可见频率在电子系统的重要性。因而对脉冲宽度的测量方法、效率等要求也日益提高。特别是在当前，半导体工艺水平已经达到亚微米量级，芯片集成高达千兆位，时钟频率也在向着千兆赫兹以上发展，数据传输位数达到每秒几十亿次，对时间和脉宽的测量精度也提出了更高的要求，需要更高准确度的时频基准和更精密的测量技术。在21世纪，脉宽测量仪的发展非常快，主要研究方向是改进、创造新的测量原理、方法和仪器，以便以更高的精度和速度自动进行测量和数据处理，并想多功能、小型化、高性价比的方向发展。不论从我们用的彩色电视机、电冰箱、DVD等