基于FPGA的时间间隔测量仪的设计.doc

中北大学2008届毕业设计说明书
第II页共II页
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
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
Withtherapiddevelopmentofscienceandtechnology,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,dataprocessinganddatatran