Кольцевые генераторы импульсов на ПЛИС Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

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 (пара-фазного) 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 п, 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-

нейшее увеличение числа N элементов приводит к возрастанию времени задержки и коэффициента усиления. Это обусловливает увеличение амплитуды выходного напряжения, при этом форма сигнала приближается к сглаженной трапеции (мягкое ограничение). Наконец,

и0

Мягкое ограничение

Полное переключение

при существенном увеличении числа а) —| |— б) элементов каждый из них успевает полностью переключаться, амплитуда сигналов достигает максимума, а их форма становится близкой к меандру.

Ориентировочно оценить частоту колебаний КГИ можно, считая задержку каждого каскада равной Б Импульс распространяется через все N элементов задержки один раз, обеспечивая фазовый сдвиг п в течение полупериода . Рис- 1

После этого импульс инвертируется и второй раз распространяется через те же элементы задержки, что обеспечивает общий период 2. Таким образом, частота колебаний оказывается равной

1

. Линейный режим

n —►

/с =

2 N1

Б

Цифровое регулирование частоты колебаний КГИ на ПЛИС можно осуществить одним из двух способов: прямым воздействием на частоту путем изменения длины кольца составляющих его ЭЗ и косвенным воздействием на частоту путем направленного перебора выходов КГИ [2].

При использовании первого способа (рис. 2, а) кольцо генератора замыкается через такое количество ЭЗ, которое задается управляющим кодом Х посредством мультиплексора МХ. Частота импульсов определяется приведенным выше выражением. Шаг дискретизации частоты, равный 1/2N[Ы+1)б , можно сократить практически вдвое до значения 1/2N (2N+1)б , если дополнить устройство логическим преобразователем управляющего кода [4].

а)

<1 т< Н<}

Х

Б

А

МХ

у

у

Рис. 2

Согласно второму способу (рис. 2, б) частота кольцевого генератора остается неизменной, однако на выход у устройства выводятся сигналы разных фаз КГИ в соответствии с управляющим цифровым кодом на адресном входе мультиплексора. Адресный код формируется аккумулятором (узлом суммирования с обратной связью через регистр ЯО), который на каждом такте работы уменьшает текущий адрес мультиплексора на значение Х. В результате частота импульсов при X << N определяется формулой

где /0 — собственная частота КГИ.

Объектом практического исследования послужила схема КГИ, выполненного на кристаллах ПЛИС EPF 10K10LC84-4 и EP2C20F484C7N фирмы "Altera". Схема состоит из 100 каскадов задержки в виде ячеек LCELL (рис. 3, а), одна из которых снабжена инвертором, обеспечивающим дополнительный сдвиг сигнала обратной связи на п. Размещение компонентов схемы генератора на кристалле и трассировка соединений реализованы в двух версиях: автоматически с помощью компилятора и вручную (на рис. 3, б приведена топология схемы при ручной трассировке на кристалле EP2C20F484C7N).

б)

Рис. 3

Частота импульсов генератора, размещенного на кристалле ЕР2С20Б484С7К, составила в среднем 16,5 МГц и имела технологический разброс (среднеквадратическое отклонение по десяти образцам на одном кристалле) 0,278 МГц для устройств, полученных с помощью компилятора, и 0,047 МГц — для устройств, размещение элементов которых и трассировка выполнены вручную. Таким образом, ручной способ позволил существенно сократить технологический разброс частоты, который не превысил ±1 %.

Как было отмечено ранее, частота импульсов кольцевого генератора обратно пропорциональна числу N его каскадов. Практически важен вопрос о минимальном значении Ы, достаточном для возбуждения и поддержания колебаний в КГИ. Для ответа на этот вопрос была измерена частота импульсов кольцевых генераторов на обеих ПЛИС в зависимости от числа каскадов и проверена их работоспособность.

Результаты эксперимента отражены графиками, представленными на рис. 4, а—г. На кристалле ЕР2С20Б484С7К (рис. 4, а) колебания возникают после объединения в кольцо семи буферов задержки, при этом частота импульсов составляет 230 МГц. На кристалле ЕРЕ10К10ЬС84-4 (рис. 4, б) колебания с частотой 192,3 МГц возникают при замыкании инверсной обратной связью двух каскадов.

Далее была проверена стабильность частоты генерируемых импульсов при изменении температуры окружающей среды и питающего напряжения для пяти образцов КГИ на ПЛИС типа ЕРЕ10К10ЬС84-4 (рис. 4, в, каждая из кривых соответствует одному из пяти образцов). Температурный коэффициент частоты составил в среднем -0,2 %/°С. Работоспособность генератора сохранялась в диапазоне питающего напряжения от 4,75 до 5,25 В (рис. 4, г), при этом чувствительность частоты к уходу напряжения питания не превысила 8,7 %/В. Как видно из графиков, частоты генераторов, выполненных на одном

кристалле, весьма близки, а работа генераторов при изменении температуры и напряже-

0 20 40 60 80 100 n 0 20 40 60 80 100 n

Рис. 4

При построении цифровой системы на кристалле ПЛИС опорный генератор может быть выполнен по кольцевой схеме, число звеньев которой выбирается в соответствии с заданной частотой. Функциональные возможности таких генераторов ограничены, поскольку существуют программные „рамки" на конфигурацию схемы. Невозможно, например, объединение выходов вентилей с целью интерполяции времени их задержки и сокращения за счет этого шага дискретизации времени. Тем не менее сохраняются возможности цифрового управления генератором при проектировании, например, систем фазовой синхронизации и декодирования данных.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Чулков В. А. Фазовая интерполяция в системах синхронизации и преобразования информации. Пенза: Изд-во Пензен. гос. технол. академии, 2008.

2. Чулков В. А. Генераторы импульсов с селекцией опорной фазы // Радиотехника. 2002. № 10. С. 51—55.

3. Razavi B. A 2-GHz 1.6-mW phase-locked loop // IEEE J. of Solid-State Circuits. 1997. Vol. 32. P. 730—735.

4. Пат. 2170490 РФ. Генератор импульсов с цифровой перестройкой периода / В. А. Чулков.

Алексей Владимирович Медведев Валерий Александрович Чулков

Рекомендована кафедрой вычислительных машин и систем

Сведения об авторах

аспирант; Пензенская государственная технологическая академия, кафедра вычислительных машин и систем; E-mail: mav@pgta.ac.ru канд. техн. наук, доцент; Пензенская государственная технологическая академия, кафедра вычислительных машин и систем, профессор; E-mail: chu@pgta.ac.ru

Поступила в редакцию 30.12.08 г.