在許多高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)正確鎖存是設(shè)計者必須要面對的問題。特別是在內(nèi)部時鐘與外部時鐘采用同一個時鐘源的基于FPGA的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，由于走線延時、器件延時、FPGA輸入管腳延時，導(dǎo)致FPGA輸入數(shù)據(jù)與FPGA內(nèi)部時鐘的相對相位關(guān)系不確定；在時鐘頻率可變的情況下，相對相位關(guān)系還會隨頻率變化。在FPGA內(nèi)部一般采用D觸發(fā)器實現(xiàn)對輸入數(shù)據(jù)的采樣。為了避免亞穩(wěn)態(tài)^[3]，D觸發(fā)器要求輸入數(shù)據(jù)相對時鐘沿滿足一定的建立、保持時間，即輸入數(shù)據(jù)與FPGA內(nèi)部時鐘要滿足一定的相位關(guān)系。由于輸入數(shù)據(jù)與采樣時鐘相對相位的不確定性，就有可能不滿足FPGA內(nèi)部D觸發(fā)器的建立、保持時間，出現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)。針對上述情況，本文給出在FPGA中可以自適應(yīng)地選擇時鐘上升沿或下降沿采樣的自適應(yīng)同步器電路設(shè)計。該電路能夠檢測鎖存時鐘上升沿與輸入數(shù)據(jù)跳變的相位關(guān)系，由檢測結(jié)果選擇上升沿采樣或下降沿采樣，使數(shù)據(jù)變化避開時鐘沿的亞穩(wěn)態(tài)窗^[1]，降低出現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)的概率。
1 某雷達數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)簡介
　　圖1所示為某雷達系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集原理圖，該雷達系統(tǒng)有兩種帶寬，要求兩種采樣頻率" title="采樣頻率">采樣頻率，采樣時鐘由FPGA產(chǎn)生。設(shè)計采用了ECL輸出電平標(biāo)準(zhǔn)的ADC，F(xiàn)PGA輸入輸出采用LVTTL標(biāo)準(zhǔn)。因此，F(xiàn)PGA輸出時鐘以及ADC數(shù)據(jù)送入FPGA均需要采用電平轉(zhuǎn)換芯片。這樣，F(xiàn)PGA輸出時鐘的上升沿到相應(yīng)FPGA輸入管腳上升沿之間(圖1中C點到D點)有8～9ns的延時。相同的延時，不同的采樣頻率，輸入數(shù)據(jù)與采樣時鐘的相對相位不同；而且由于FPGA內(nèi)部布線延時的不確定性，采樣時鐘與輸入數(shù)據(jù)的相對相位會隨著每次重新布局布線而改變，這兩種情況都可能導(dǎo)致不滿足D觸發(fā)器的建立、保持時間，導(dǎo)致采樣失效。

　　如圖2所示，在FPGA內(nèi)部若采用上升沿鎖存數(shù)據(jù)，對于115MHz采樣頻率可以保證正確采樣，對于85MHz的采樣頻率，有可能出現(xiàn)采樣失效；反之，若采用下降沿鎖存數(shù)據(jù)，115MHz的采樣頻率可能出現(xiàn)采樣失效。
　　解決上述問題的難點在于預(yù)測輸入數(shù)據(jù)與采樣時鐘的相位關(guān)系，從而選擇合適的采樣時鐘沿。采用圖1所示的采樣方案，經(jīng)常出現(xiàn)某一種采樣頻率采樣失效的情況，如115MHz采樣頻率采樣正常，而85MHz采樣頻率采樣失效。自適應(yīng)同步器可以預(yù)測采樣時鐘與輸入數(shù)據(jù)的相位關(guān)系，自適應(yīng)地選擇上升沿或下降沿采樣，降低出現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)的概率。
2 自適應(yīng)同步器原理
　　自適應(yīng)同步器能夠預(yù)測采樣時鐘上升沿與輸入數(shù)據(jù)的相位關(guān)系。如果相位關(guān)系不能滿足D觸發(fā)器的建立、保持時間，則自適應(yīng)同步器能自適應(yīng)地對數(shù)據(jù)或者時鐘作延時調(diào)整，直到滿足建立、保持時間。
　　根據(jù)同步器延時調(diào)整對象不同，同步器可以分為時鐘延時" title="時鐘延時">時鐘延時同步器和數(shù)據(jù)延時同步器。下面給出兩種同步器的實現(xiàn)原理。
2.1 時鐘延時同步器
　　圖3所示為時鐘延時同步器，沖突檢測電路檢測輸入數(shù)據(jù)與時鐘沿的相位關(guān)系，根據(jù)檢測結(jié)果由狀態(tài)機自適應(yīng)選擇時鐘是否延時。圖3中時鐘延時單元可實現(xiàn)時間為T的延時，延時單元若為一非門，該電路就是一個簡單的時鐘上升沿采樣或者下降沿采樣的自適應(yīng)選擇電路。

　　該電路具有相對簡單、容易實現(xiàn)的特點。但是由于時鐘延時只有兩種選擇，不可能實現(xiàn)相位的精確匹配，很難適應(yīng)一些超高速電路的需求。該電路一般選取數(shù)據(jù)總線中的某一位做相位匹配，因此要求數(shù)據(jù)總線上各位數(shù)據(jù)延時盡可能相等。
2.2 數(shù)據(jù)延時同步器
　　圖4所示電路為數(shù)據(jù)延時同步器，輸入數(shù)據(jù)經(jīng)過若干級延時單元的延時，沖突檢測電路檢測時鐘上升沿與各級延時數(shù)據(jù)的相位關(guān)系，由狀態(tài)機選擇較為理想的延時數(shù)據(jù)。
　　數(shù)據(jù)延時同步器可以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的精確延時，實現(xiàn)對超高速數(shù)據(jù)或DDR數(shù)據(jù)的鎖存。但是，由于大量延時單元的使用，增加了FPGA設(shè)計的復(fù)雜度，實現(xiàn)較為困難。

3 自適應(yīng)同步器在采樣系統(tǒng)中的應(yīng)用
　　圖5所示電路為自適應(yīng)同步器在圖1所示的某雷達采樣系統(tǒng)中的應(yīng)用。圖5中采樣時鐘、D觸發(fā)器組與圖1中相同，只是圖5中D觸發(fā)器組的時鐘改為同步時鐘，BUFG為Xilinx FPGA內(nèi)部的全局時鐘緩沖。自適應(yīng)同步器檢測同步時鐘與數(shù)據(jù)最低位data[0]的相對相位，自適應(yīng)地選擇采樣時鐘，達到同步輸入數(shù)據(jù)的目的。由于數(shù)據(jù)總線只選取其中一位data[0]，因此要求總線上各位數(shù)據(jù)延時盡可能相等。

4 自適應(yīng)同步器的FPGA實現(xiàn)
　　數(shù)據(jù)延時同步器實現(xiàn)較為復(fù)雜，尤其對于位數(shù)較多的數(shù)據(jù)總線，需要占用很多資源，狀態(tài)機也較復(fù)雜。但其實現(xiàn)原理與時鐘延時同步器基本相同，本文只給出時鐘延時同步器的實現(xiàn)。圖6所示電路為自適應(yīng)同步器，其中del為延時單元，延時時間計為T_del；me_p為data上升沿與時鐘上升沿的沖突檢測模塊，me_n為data下降沿與時鐘上升沿的沖突檢測模塊；fsm為有限狀態(tài)機。當(dāng)data跳變發(fā)生在時鐘上升沿[-T_del，T_del]時間之內(nèi)時，電路輸出sel有效。
4.1 延時單元的FPGA實現(xiàn)
　　圖7為延時單元電路，采用FPGA內(nèi)部的LUT4作延時。由于FPGA內(nèi)部布線延時與LUT4延時相比不可忽略，因此需要對LUT4作相對布局約束，必要時還要作布線約束。

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4.2 突檢測單元me_p，me_n的實現(xiàn)
　　圖8為沖突檢測單元me_p的原理圖^[2]。該電路可以實現(xiàn)兩路輸入信號上升沿的相位檢測，如果輸入信號r1上升沿較r2的上升沿提前，則g1輸出為‘1’，g2為‘0’；否則g1輸出為‘0’，g2為‘1’。在FPGA實現(xiàn)時，采用基于四輸入查找表(LUT4)的設(shè)計，對于布局布線要盡可能保持對稱性，需要加入布局約束、甚至布線約束。圖9為經(jīng)Synplify綜合后的原理圖。

　　沖突檢測單元me_n可以實現(xiàn)輸入信號r1下降沿與輸入信號r2上升沿的相位檢測，原理同me_p。對于me_n的實現(xiàn)，只要在配置FPGA查找表(LUT)時，將圖9中I0單元(LUT4_7FFF)改為“LUT4_DFFF”即可。
4.3 狀態(tài)機的實現(xiàn)
　　圖10為自適應(yīng)同步器狀態(tài)機，輸入為conflict，輸出為sel。狀態(tài)機共8個狀態(tài)，狀態(tài)為S0、S1、S2、S3時，輸出為‘0’，選擇圖(5)所示‘sam_clk’；否則輸出為‘1’，選擇‘sam_clk’的反向時鐘‘～sam_clk’；中間態(tài)S0、S1、S2以及S4、S5、S6可以有效防止?fàn)顟B(tài)機振蕩。圖10中′x′表示任意狀態(tài)。