關于門控組件的高精度低抖動同步技術研究

阮奧

江漢大學 湖北 武漢 430058

引言

在惡劣環境的影響下，傳統微光成像設備已經不能夠在一些工作中實現高分辨率的成像，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延遲精度控制應當進一步加強。門控組件精度及抖動受到外部觸發脈沖的影響，為了使門控組件實現同步控制技術，就要降低外部觸發脈沖的影響，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備傳輸到控制器，在控制器上進行對比與儲存以后，運用輸出設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。

1.2 延遲脈寬控制設計

當外部觸發形成脈沖信號時，延遲單元是這一過程所需的必要功能，對于具體數值延遲時間的控制是通過選擇延遲脈寬來實現的。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，在外部觸發形成脈沖信號在經過延遲單元后會直接進入輸出系統或進入到下一個延遲單元。時間精度通常情況下是5ns，而這么短的時間內是做不到采取脈沖前沿的，因此在5ns內會存在著不能確定的抖動。

想要形成可以調控脈寬的脈沖信號，就要對外部觸發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行控制，將兩個經過不同延遲單元輸出的脈沖信號進行異或運算，然后再將運算結果與其中一個脈沖進行異或運算，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控制高精度、低抖動的脈沖脈寬以及延遲時間，對于更加細致范圍內的脈沖不能夠實現控制，因此，此時可以采用傳統時間計時方法來進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置都會略高，可以達到幾十微秒，5ns的精度完全足夠。

2 lODELAY模塊設計

2.1 IODELAY模塊介紹

IODELAY模塊設計是數字電路選取脈沖的方法，該方法可以進一步提高電路的應用范圍以及應用精確度，對于控制脈沖延遲和脈寬的能力也能夠提高，能夠實現對于脈沖距離的選擇以及控制精確圖像的清晰度，實現脈沖信號輸出的高同步，進一步提高成像可靠性。IODELAY模塊是構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值，通常情況下，IODELAY模塊的延遲單元是一種環繞型的延遲單元，具有64個tap，每64個tap所產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，就不能夠進行后期的邏輯處理，本文采用固定操作模式來進行輸出數據的操作[1]。

2.2 IODELAY的級聯

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模塊之間采用級聯的方法進行連接，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行脈沖信號的選取。

將IODELAY的級聯完成以后就要進行綜合的操作，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錯亂，則可能會導致內線路回繞的現象，最終導致延時時間加大，抽頭的精準度也會下降，影響邏輯計算，因此，在設計的過程中要對IODELAY模塊的位置進行控制，盡量讓其與輸出端口靠近。

3 功能的驗證

在設計結束后要對IODELAY的級聯邏輯輸出功能進行驗證，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在示波器的屏幕上，通常選取5ns內的脈沖情形，然后通過觀察不同方法的脈沖輸出可以發現，其他方法下脈沖波形會產生較大的波動，而IODELAY設計的邏輯方法可以有效降低脈沖波形的波動，對于外部觸發的抖動有著控制作用，可以實現門控組件的高精度、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致的，時鐘的最小計時單位為5ns，這5ns內，利用時鐘采取脈沖觸發的上沿會存在著不可控制的抖動，使得組件之間不能夠實現同步控制。而通過設計IODELAY延遲單位，來構建邏輯計算方法，可以減少這種抖動頻率，但因為延遲單位的數量有限，這種方法所能夠調節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實現，對于小范圍的調節能夠滿足，例如脈寬為200ns，抖動為5ns是能夠實現的，但對于脈寬為5ns，抖動大于1.5ns的控制是不能夠實現的。

5 結束語

綜上所述，要實現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行設計控制模式。由本文分析可知門控組件的高精度低抖動同步技術研究包括：脈沖形成與延遲脈寬控制設計、IODELAY模塊設計、同步功能的驗證以及方法的分析與對比。