毕业设计说明书
基于FPGA的时间间隔测量仪的设计
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2012年 6 月
摘 要
随着科技的飞速发展,人们对高精度的时间频率的需求越来越高,传统可驯钟系统 (自动校频系统)是模拟或半数字体制,其时差测量单元采用高精度时间间隔计数器,存 在成本高、调试困难和不易建立模型等缺点。微电子技术的发展,推动了可编程逻辑技 术的发展,出现了价格低廉、适合工程应用的现场可编程逻辑器件(FPGA),因此采用 FPGA 实现高精度时间间隔测量具有很大的现实意义。
本文详细分析了几种传统时间间隔测量方法,深入研究了延迟单元在 FPGA 中的实 现方法,并对事件延迟内插法、时钟延迟内插法、以及差分延迟内插法三种时间内插法 的仿真验证,结果表明,基于差分延迟线测量的分辨率最高,消耗硬件资源最少。在此基础之上,在 Altera公司CycloneII系列的EP2C8Q208C8N芯片中实现分辨率为43ps的差分延迟链,采用粗细结合测量的方案,设计了一个集成在 FPGA 内的高精度时间间隔 测量模块。设计主要包括四个部分:系统时钟模块、粗测量单元、细测量单元、数据处理与数据传输模块,并在QuartusII开发环境下通过VerilogHDL语言对模块进行软件实现。
基于FPGA的时间间隔测量的精度达到200ps,具有高精度、集成度高、易于移植的特点,是一种较优的设计方案,有着很好的应用前景。
关 键 词:FPGA,时间间隔测量,差分延迟内插法,延迟线
ABSTRACT
With the rapid development of science and technology,the demand of high-precision time and frequency are increasingly higher.The traditional Disciplined Clock System (adaptive frequency calibration system) adopts analog or semi-digital system,which use high precision time-interval counter measure time part.But it exists shortcoming such as:high cost,large impact by environmental factors.Development of microelectronics technology,and promote the development of programmable logic technology.There has been a low price, suitable for engineering applications of field programmable gate array (FPGA). So reaching precise time-interval measure based on FPGA has the great practical significance.
This paper analysis the commonly methods of time-interval. And the event delay interpolation method,the clock delay interpolation and the interpolation of three differential delay time interpolations of the simulation results show that the differential delay line based on the highest resolution measurements, a minimum consumption of hardware resources.On this basis,I design to realizing a 43ps delay difference of differential delay based on Cyclone II series of Alteras’EP2C8Q208C8N chip.An integrated high-precision time interval measurement module be designed and embedded in FPGA.I determine the specific measurement for time interval:design by crude and fine measurement.The main modules are:System clock module,coarse measurement module,and fine measurement units,data processing and data transmission modules. Finally use the VerilogHDL software to simulate the entire program in the Quartus9.0.
The FPGA-based time interval measurement accuracy of 200ps,with high accuracy,high integration,easy-to-transplant characteristics.It is a better design,has a good application prospects.
Key words : FPGA,Time interval measurement,Differential delay interpolation , Delay line
目录
1.1 研究背景与意义 1
1.2 国内外发展现状 3
1.3 论文主要研究内容 6
2 时间间隔测量的基本原理及方法 8
2.1 时间间隔测量的一般技术指标 8
2.1.1 准确度 8
2.1.2 频率稳定度 8
2.1.3 分辨率 9
2.1.4 精度 9
2.2 直接计数法 9
2.3 时间内插法 10
2.3.1 内插基础 10
2.3.2 模拟内插法 10
2.3.3 游标内插法 11
2.3.4 延迟内插法 12
2.3.5 差分延迟内插法 13
3 基于 FPGA 的时间内插法的研究 14
3.1 可编程逻辑器件简述 14
3.1.1 FPGA 的发展 15
3.1.2 FPGA 的结构及工作原理 15
3.1.3 FPGA 设计基础 16
3.2 基于 FPGA 的延迟时间内插法 19
3.2.1 延迟单元分析 19
3.2.2 延迟时间内插测量分析 21
4 总体设计 25
4.1 实现方案 25
4.2 主要模块设计与实现 25
4.2.1 系统时钟产生模块 26
4.2.2测量模块 27
4.2.3 数据处理模块 29
4.2.4数据存储模块 30
4.2.5通信模块 30
4.2.6显示模块 31
5 结论 33
参考文献 34
致 谢 36
1 绪论
1.1 研究背景与意义
现代科学技术的发展建立在精密测量基础之上,对时间间隔测量技术,尤其是对高 精度高分辨率的时间间隔测量技术的研究具有重大的意义,无论是在通讯、电子仪器、导航定位、航天航空、天文,还是计量、
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