基于FPGA的时间间隔测量仪的设计

清华大学2008届毕业设计说明书毕业设计说明书基于FPGA的时间间隔测量仪的设计学生姓名：学号：学院：专业：指导教师：2012年6月清华大学2008届毕业设计说明书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，延迟线清华大学2008届毕业设计说明书ABSTRACTWiththerapiddevelopmentofscienceandtechnology,thedemandofhigh-precisiontimeandfrequencyareincreasinglyhigher.ThetraditionalDisciplinedClockSystem(adaptivefrequencycalibrationsystem)adoptsanalogorsemi-digitalsystem,whichusehighprecisiontime-intervalcountermeasuretimepart.Butitexistsshortcomingsuchas:highcost,largeimpactbyenvironmentalfactors.Developmentofmicroelectronicstechnology,andpromotethedevelopmentofprogrammablelogictechnology.Therehasbeenalowprice,suitableforengineeringapplicationsoffieldprogrammablegatearray(FPGA).Soreachingprecisetime-intervalmeasurebasedonFPGAhasthegreatpracticalsignificance.Thispaperanalysisthecommonlymethodsoftime-interval.Andtheeventdelayinterpolationmethod,theclockdelayinterpolationandtheinterpolationofthreedifferentialdelaytimeinterpolationsofthesimulationresultsshowthatthedifferentialdelaylinebasedonthehighestresolutionmeasurements,aminimumconsumptionofhardwareresources.Onthisbasis,Idesigntorealizinga43psdelaydifferenceofdifferentialdelaybasedonCycloneIIseriesofAlteras’EP2C8Q208C8Nchip.Anintegratedhigh-precisiontimeintervalmeasurementmodulebedesignedandembeddedinFPGA.Ideterminethespecificmeasurementfortimeinterval:designbycrudeandfinemeasurement.Themainmodulesare:Systemclockmodule,coarsemeasurementmodule,andfinemeasurementunits,dataprocessinganddatatransmissionmodules.FinallyusetheVerilogHDLsoftwaretosimulatetheentireprogramintheQuartus9.0.TheFPGA-basedtimeintervalmeasurementaccuracyof200ps,withhighaccuracy,highintegration,easy-to-transplantcharacteristics.Itisabetterdesign,hasagoodapplicationprospects.Keywords:FPGA，Timeintervalmeasurement，Differentialdelayinterpolation，Delayline清华大学2008届毕业设计说明书第I页共II页目录1.1研究背景与意义......................................................11.2国内外发展现状......................................................31.3论文主要研究内容....................................................62时间间隔测量的基本原理及方法..........................................82.1时间间隔测量的一般技术指标..........................................82.1.1准确度.............................................................82.1.2频率稳定度.........................................................82.1.3分辨率.............................................................92.1.4精度...............................................................92.2直接计数法..........................................................92.3时间内插法.........................................................102.3.1内插基础.........................................................102.3.2模拟内插法.......................................................102.3.3游标内插法.......................................................112.3.4延迟内插法.......................................................122.3.5差分延迟内插法...................................................133基于FPGA的时间内插法的研究..........................................143.1可编程逻辑器件简述.................................................143.1.1FPGA的发展.......................................................153.1.2FPGA的结构及工作原理.............................................153.1.3FPGA设计基础.....................................................163.2基于FPGA的延迟时间内插法..........................................193.2.1延迟单元分析......................................................193.2.2延迟时间内插测量分析..............................................214总体设计..............................................................254.1实现方案...........................................................254.2主要模块设计与实现.................................................25清华大学2012届毕业设计说明书第II页共II页4.2.1系统时钟产生模块..................................................264.2.2测量模块...........................................................274.2.3数据处理模块......................................................294.2.4数据存储模块.......................................................304.2.5通信模块...........................................................304.2.6显示模块...........................................................315结论..................................................................33参考文献................................................................34致谢..................................................................36清华大学2012届毕业设计说明书第1页共36页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、电子技术等领域都离不开高精度的时间间隔测量[1]。时间间隔测量以稳定的周期性运动为基础，以选定的标准周期倍数或分数为时间单位进行测量。人类对时间间隔的测量经历了圭表、机械钟、石英钟、原子钟等不同阶段。随着社会生产力的迅猛提高和科学技术的飞速发展