数字移相技术提升脉宽测量精度的FPGA实现

"基于数字移相的高精度脉宽测量系统" 在测量与仪器仪表的实践中，高精度地测量数字信号的脉冲宽度是一项常见的任务。传统的脉宽测量方法是通过脉冲计数法，它利用高频时钟脉冲在信号的高电平或低电平期间计数，然后根据计数的时钟脉冲数来计算脉冲宽度。然而，这种方法存在固有误差，因为待测信号的边缘与计时时钟的边沿不完全对齐，导致最大误差等于一个时钟周期。例如，使用80MHz时钟时，最大误差可达12.5ns。 提高测量精度的策略有两种主要途径：一是提升计数时钟频率，二是应用时幅转换技术。提高时钟频率可以减小误差，但同时也对硬件性能提出了更高的要求，如需要1ns的测量精度，时钟频率需升至1GHz，这对普通计数器芯片来说可能难以实现，并且会引发电路设计的诸多挑战。而时幅转换技术虽然不受时钟频率限制，但由于涉及模拟电路，高频率信号下容易受到噪声干扰，快速响应连续脉宽测量时也存在困难。 本文提出了一种新颖的方法，即利用数字移相技术来增强脉宽测量的精度，并通过FPGA（现场可编程门阵列）实现测量系统。数字移相的基本思想是通过延时技术，使两路同频信号产生相位差。在本系统中，原始时钟信号CLK0经过移相生成CLK90、CLK180和CLK270，分别相差90°，这些时钟信号同时驱动四个计数器，各自对信号进行计数。通过比较四个计数器的计数值m1、m2、m3和m4，可以计算出精确的脉宽。这种方法实际上相当于将原始时钟频率提升四倍，达到4f，从而将测量精度提高到四倍。例如，原始时钟频率为80MHz，等效计数频率则提升至320MHz，最大误差降低至3.125ns，有效解决了高频率带来的误差问题。 系统实现的关键在于确保每个计数器接收的时钟信号之间有精确的相位差。由于原始时钟频率通常较高（接近100MHz），保持这种高精度的相位差是设计中的挑战。通常，可以通过数字延迟线或FPGA内部的逻辑资源来实现这种精确的移相。这种方法的优势在于，即使在高频率下，也能维持系统的稳定性，无需面对由高频时钟引起的复杂问题。 总结来说，基于数字移相的高精度脉宽测量系统提供了一种创新的解决方案，通过精确的时钟移相技术，显著提升了脉冲宽度测量的精度，同时避免了提升时钟频率所带来的设计难题。这一方法在电子技术，尤其是嵌入式系统（如ARM开发板）和测量与仪器仪表领域具有重要的应用价值。