基于CPLD的智能寬帶去邊沿抖動(dòng)技術(shù)

智能寬帶去抖動(dòng)

提出的原因

由上面總結的方法知，幾種方法都存在一定的不足。(1)利用了信號電平信息的去模擬抖動(dòng)方法不能用于去除數字信號的抖動(dòng);(2)模擬去抖動(dòng)方法中，平滑濾波的方法不能去除信號波動(dòng)偏大時(shí)產(chǎn)生的抖動(dòng)，而兩個(gè)觸發(fā)器解決辦法則不能準確反應信號的正半周與負半周的比例，而且，對于單穩態(tài)觸發(fā)器方法需要針對不同頻率的信號采用不同的時(shí)間參數配置;(3)數字去抖動(dòng)方法中，RC濾波方法只能針對慢變信號，因為快變信號將被濾除或附加一定的相移P時(shí)延，而軟件設計的方法需要消耗大量的器件資源和時(shí)間資源，使得處理任務(wù)加重，這在有些時(shí)候是不容許的，對于優(yōu)化設計則需要長(cháng)期的經(jīng)驗才能有效避免。

總體上，上面的方法在每次設計時(shí)都將讓我們權衡利用，效果有時(shí)也不盡人意。我們這里提出的智能寬帶去抖動(dòng)的方法可以解決大部分的問(wèn)題，對模擬和數字信號產(chǎn)生的抖動(dòng)均有效。由于是基于CPLD硬件的設計，方便改進(jìn)，還可事先不必確切知道哪個(gè)IPO口輸入的信號需要去抖動(dòng)，同時(shí)不浪費其他硬件和軟件資源。在實(shí)際應用中可以針對可能產(chǎn)生邊沿抖動(dòng)的所有信號進(jìn)行去抖動(dòng)處理，只要器件資源足夠。

智能寬帶去抖動(dòng)原理

當我們需要進(jìn)行較復雜的電路設計時(shí)，經(jīng)常用到可編程器件，這樣可以使得硬件軟件化。實(shí)際使用時(shí)，可以針對引入的某個(gè)或幾個(gè)信號進(jìn)行去抖動(dòng)處理，使設計得到簡(jiǎn)化。當信號輸入CPLD時(shí)，首先進(jìn)行去抖動(dòng)處理，形成規范的脈沖波形后再進(jìn)行后續信號處理。

無(wú)論是在模擬電路中還是在數字電路中形成的信號邊沿的抖動(dòng)，最終在送入CPLD的數字脈沖信號上都有相同的表現特征：緊跟在真實(shí)上(下)邊沿后面有多個(gè)負(正)的虛假窄脈沖。因而在CPLD中我們可以采用相同的方法來(lái)進(jìn)行邊沿去抖動(dòng)處理。由于信號頻段不同，抖動(dòng)時(shí)間也會(huì )不同，正確處理的前提條件：(1)信號邊沿抖動(dòng)時(shí)間小于信號周期的四分之一;(2)信號頻率小于器件工作頻率的八分之一。第一條是防止實(shí)際邊沿界定不準，第二條是保證抖動(dòng)范圍可靠界定。對于頻率未知情況，可以對頻率進(jìn)行分段，配合少量軟件編程，針對信號頻段可以進(jìn)行智能分段處理。

具體實(shí)現時(shí)，設置三個(gè)觸發(fā)器：上升沿檢測觸發(fā)器B、下降沿觸發(fā)器C以及波門(mén)定時(shí)觸發(fā)器D。其中，上升沿觸發(fā)器是在信號上升沿到來(lái)時(shí)變成高電平，下降沿觸發(fā)器是在信號下降沿到來(lái)時(shí)變成高電平，抖動(dòng)定時(shí)觸發(fā)器當前兩個(gè)觸發(fā)器是在前兩個(gè)觸發(fā)器之一變成高電平時(shí)變成高電平。前兩個(gè)觸發(fā)器在抖動(dòng)定時(shí)觸發(fā)器清零時(shí)同時(shí)被清零，而抖動(dòng)定時(shí)觸發(fā)器清零時(shí)間由信號頻率對應邊沿抖動(dòng)范圍決定。時(shí)序如圖4所示。其中，為觀(guān)察方便，下降沿觸發(fā)器變成高電平的時(shí)間拖后了一些。由圖可見(jiàn)，輸入信號在前后沿均有雜亂的毛刺，用常規方法消除這種抖動(dòng)很困難，模擬去抖動(dòng)方法無(wú)能為力，常規的數字方法需要消耗軟件和硬件資源，而且容易形成誤操作，用我們的方法就很簡(jiǎn)潔。

A信號第一次電平變化時(shí)(t1時(shí)刻)，出現上升沿，B觸發(fā)器開(kāi)始觸發(fā)，同時(shí)引發(fā)D觸發(fā)器觸發(fā)，第一次下降沿到來(lái)時(shí)(即第一個(gè)毛刺，t2時(shí)刻)，C觸發(fā)器觸發(fā)，在設定定時(shí)范圍內，三個(gè)觸發(fā)器均保持不變。定時(shí)結束時(shí)(t3時(shí)刻)，D觸發(fā)器被清零，同時(shí)使B和C觸發(fā)器清零。從上面可以看出來(lái)，只要t3時(shí)刻不超過(guò)t4時(shí)刻則不破壞原來(lái)信號的正負區間。

在A(yíng)信號實(shí)際下降沿到來(lái)時(shí)刻(t4時(shí)刻)，相當于定時(shí)觸發(fā)器清零后第一次下降沿到來(lái)時(shí)刻，此時(shí)C觸發(fā)器又受到觸發(fā)，同時(shí)引發(fā)D觸發(fā)器觸發(fā)。B觸發(fā)器在第一個(gè)毛刺到來(lái)時(shí)刻(t5時(shí)刻)得到觸發(fā)，與前面相同。在這次定時(shí)沒(méi)有結束前三個(gè)觸發(fā)器變成不變，直到定時(shí)結束時(shí)刻(t6時(shí)刻)，三個(gè)觸發(fā)器同時(shí)被清零。余下依此類(lèi)推。

圖4　去抖動(dòng)電路時(shí)序圖

最后，我們來(lái)看一下D觸發(fā)器波形，它在A(yíng)信號正半周期間正負變化一次，在A(yíng)信號負半周期間正負再變化一次，因此，只需用D觸發(fā)器的上升沿來(lái)觸發(fā)E信號，即可準確的恢復出沒(méi)有抖動(dòng)的A信號來(lái)，如圖所示。如果A信號是周期信號，則E信號就是D信號的二分頻信號(注意用信號本身與D信號來(lái)對齊正半周就行)。

上面是有信號邊沿抖動(dòng)的情況的分析，現在再來(lái)看看信號沒(méi)有邊沿抖動(dòng)的情況?？梢韵胂?，在t2到t3時(shí)刻期間C觸發(fā)器沒(méi)有觸發(fā)，但B和D觸發(fā)器依然觸發(fā)，因為A信號存在上升沿，在t5到t6時(shí)刻期間B觸發(fā)器沒(méi)有觸發(fā)，但C和D觸發(fā)器仍然觸發(fā)，因為A信號在t4時(shí)刻存在下降沿，由此可以看出，在這種情況下，D觸發(fā)器波形沒(méi)有改變，從而可以用同樣的方法得到E恢復信號。

當信號頻率變化(或根本不是周期信號，只是一個(gè)個(gè)脈沖群)時(shí)，只要設置的波門(mén)定時(shí)范圍滿(mǎn)足前面提出的兩個(gè)條件，則仍然可以適用。如果在多倍頻程變化時(shí)，由于信號邊沿抖動(dòng)寬度不一致，低端的抖動(dòng)范圍可能已經(jīng)超出了高頻端周期的一半，不能進(jìn)行準確還原，因此需要進(jìn)行分段處理。在輸入信號頻率完全未知的情況下，可以實(shí)際測量參數，根據最穩定的情況來(lái)確定分段的界限和參數，如果配合少量的軟件編程，提取信號穩定的段結果即可。這樣，就可以在很寬的頻帶內，自動(dòng)選擇頻段參數以正確進(jìn)行去抖動(dòng)處理。