如何在低成本FPGA中實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)相位調(diào)整

在FPGA中，動(dòng)態(tài)相位調(diào)整(DPA)主要是實(shí)現(xiàn)LVDS接口接收時(shí)對(duì)時(shí)鐘和數(shù)據(jù)通道的相位補(bǔ)償，以達(dá)到正確接收的目的。ALTERA的高端FPGA，如STRATIX(r) 系列中自帶有DPA電路，但低端的FPGA，如CYCLONE(r)系列中是沒(méi)有的。本文主要闡述如何在低端FPGA中實(shí)現(xiàn)這個(gè)DPA的功能。

實(shí)現(xiàn)架構(gòu)

在LVDS輸入接收時(shí)，時(shí)鐘和數(shù)據(jù)的相位可能是不確定的，因此我們需要將時(shí)鐘的相位作出調(diào)整，使得時(shí)鐘能穩(wěn)定的采集到輸入數(shù)據(jù)。工作的核心就是用鎖相環(huán)PLL的相位調(diào)整功能，產(chǎn)生若干個(gè)時(shí)鐘的不同相位，看哪些相位能準(zhǔn)確的采集到輸入數(shù)據(jù)，然后取窗口中間的一個(gè)時(shí)鐘相位，作為正常工作時(shí)的采樣時(shí)鐘。比如通過(guò)PLL產(chǎn)生0，45，90，135，……，315度8個(gè)相移的時(shí)鐘，如果0，45，90度相移的時(shí)鐘能正確采樣到輸入，那么最后選取中間相位，即45度的時(shí)鐘作為采樣時(shí)鐘。這樣接口上具有最大的時(shí)序裕量，從而保證鏈路的可靠性。圖1為這個(gè)設(shè)計(jì)的基本結(jié)構(gòu)，通過(guò)PLL調(diào)整相位的接口，產(chǎn)生了時(shí)鐘的不同相位來(lái)采集數(shù)據(jù)，最后選擇一個(gè)最合適的相位。

CYCLONE系列的PLL的相位調(diào)整接口時(shí)序如圖2所示，當(dāng)用戶邏輯控制phasestep, phasecounterselect與phaseupdown信號(hào)時(shí)，PLL的輸出時(shí)鐘C0就改變一次相位。在QII生成PLL時(shí)，用戶必須選上create optional inputs for dynamic phase reconfigure，否則缺省是不會(huì)有這些管腳的，如圖3所示。另外必須在output clock tab中寫(xiě)入phase shift step resolution的值，這樣才能確定每次相位調(diào)整的步長(zhǎng)。

應(yīng)用實(shí)例

本例中的參考設(shè)計(jì)采用CYCLONE3器件，與ADI公司的ADS5277接口，已經(jīng)在硬件上測(cè)試過(guò)，證明是有效的。ADS5277是一款8通道高速ADC芯片，主要用于超聲設(shè)備以及測(cè)試設(shè)備中。圖4是該參考設(shè)計(jì)電路框圖。

ADS5277送到FPGA的是一個(gè)192MHz的時(shí)鐘，8路LVDS數(shù)據(jù)，速率是384Mbps。上電復(fù)位后ADS5277發(fā)送的數(shù)據(jù)是‘0101010101……’，F(xiàn)PGA啟動(dòng)DPA電路，準(zhǔn)確確定時(shí)鐘相位后再通過(guò)控制信號(hào)，使得ADS5277發(fā)送‘000000111111……’這樣的PATTERN，F(xiàn)PGA可以確定字的邊界，這一步成功以后，F(xiàn)PGA就可以通過(guò)控制信號(hào)讓ADS5277發(fā)送正常工作時(shí)的數(shù)據(jù)，因?yàn)榻?jīng)過(guò)了時(shí)鐘相位調(diào)整這一過(guò)程，以后的數(shù)據(jù)采樣是非常穩(wěn)定的，不會(huì)受到溫度電壓變化來(lái)的影響。

當(dāng)然這個(gè)設(shè)計(jì)可以和所有LVDS發(fā)送芯片接口，并不只限于ADS5277。甚至可以應(yīng)用于ALTERA高端FPGA中，比如STRATIX4的帶有DPA專用電路的管腳只分布在左右BANK，而用到這個(gè)設(shè)計(jì)的話，上下BANK的IO也能使用。DPA設(shè)計(jì)所消耗的邏輯資源是非常小的，選用器件為3C16F256C8, 如表1所示。

圖1、在FPGA中實(shí)現(xiàn)DPA設(shè)計(jì)架構(gòu)。

圖2、PLL的相位調(diào)整接口時(shí)序。

圖3、