原创 基于FPGA的TDC设计中使用PLL来模拟HIT

基于FPGA的TDC设计中使用PLL来模拟HIT

概述

        在进行基于FPGA的TDC设计时，为了测试方便，一般通过PLL来模拟外部“HIT”，这是进行码密度测试基本操作。通常的做法是需要FPGA片外提供两个非同源的时钟，一个用于系统时钟以及TDC的高速锁存时钟，另外一个用于产生模拟HIT。假如使用片内的PLL，那么就没必要这么麻烦了。

读本文之前，还可以参考之前博客：https://mbb.eet-china.com/blog/1010859-213148.html，https://mbb.eet-china.com/blog/1010859-213159.html

乘除因子的真相

图1：PLL框图

       如图1所示为PLL的内部结构框图，那么所谓的PLL的乘除因子与内部的这些counter的关系如下所示：

• FREF = FIN / N
• FVCO = FREF × M = FIN × M/N
• FOUT = FVCO / C = (FREF × M) / C = (FIN × M) / (N × C)

       其实我们在讲乘除因子的时候必须搞清楚PLL的几个counter，即M、N以及C计数器。首先我们可以确定的是Megawizard里“Clock multiplication factor”就等于M计数器的值，而“Clock division factor”等于N计数器的值乘以C计数器的值，这些可以从上述公式里找到答案。

在进行PLL输出时钟设置的时候，Megawizard一般不提供，且ALTERA也不建议客户直接去设置M、N以及C计数器，而是通过设置乘除因子来设置PLL，编译器会自动设置这些计数器的值。只有高级应用，即高级用户可以通过特殊方式来设置M、N以及C计数器来配置PLL。另外，应用ECO工具手动修改FPGA设计的时候也可以修改这些计数器以及其他参数。

一个TDC模拟HIT设计实例

        有篇参考论文上提到过一个利用FPGA的PLL产生HITs的例子，其中有两个问题一直没弄明白。最近几天通过不断的做实验终于搞清楚了问题，特总结一篇记录与此以备后查。

        整个例子如图2所示，外部给FPGA一个100MHz的时钟，第一个PLL由100MHz产生一个387.5MHz的TDC时钟。第二个PLL产生一个33.68MHz的HIT时钟。我所说的问题，第一是为什么20MHz时钟要从FPGA外面兜一圈；第二是作者给出两个PLL的输出时钟之间的相位关系有256种组合，而没有直接给出原因。

图2：关联校准脉冲发生器

        首先谈第一个问题，由于作者没有给出其具体使用的器件型号，所以这里我猜测这个20MHz在FPGA外部兜一圈的原因也许是因为作者使用的器件的PLL不支持逻辑时钟作为其输入，而必须是从FPGA引脚来的时钟才能作为PLL的输入，而ALTERA早期的Cyclone系列就有此限制。另外，早期的ALTERA器件也不支持PLL级联，所以也没有从第一个PLL产生一个20MHz来驱动第二个PLL。还有就是《PLL那些事之乘除因子》一文中有提到PLL的输出受限于PLL的FVCO，所以第一个PLL输出一个387.5MHz时钟后，无法再输出33.68MHz或者20MHz。否则，图2完全可以只用一个PLL产生387.5MHz和33.68MHz这两个时钟。

        接着谈第二个问题，即387.5MHz和33.68MHz这两个时钟之间为何相位关系就有256种组合呢？分别用CLKH和CLKL来代替387.5MHz和33.68MHz这两个时钟。根据图2，可以得到CLKH=100*，而CLKL=100**。因此将第二个等式代入第一个等式我们得到CLKH=CLKL*5**=CLKL*，反过来也就是2945*TH=256*TL，也即是说低速时钟和高速时钟有256种不同的相位关系组合，因为每256个时钟周期低速时钟和高速时钟关系重复一次。所以，图2所示的使用PLL在FPGA内部产生TDC的模拟HIT输入是可行的。图2所示的这些256种可能的脉冲平均分布在2580ps范围内，那么每两个相邻脉冲的时间间隔就是10.08ps，这个值可以通过求n*29687.5和2580的模来得到（29687.5ps是33.68MHz时钟的周期）。图2还显示了一种增加HIT和TDC时钟之间的时间关系可能性的办法，即通过相移90度得到另外一个33.68MHz时钟，这样模拟的HIT多出一倍，同理，通过改变相移可以继续增加HIT的种类。

改进型模拟HIT

        图2所示的模拟HIT产生电路相对比较复杂，原因前面提到了，是由于器件本身限制造成的。笔者自己使用的ArriaGX系列FPGA，该系列FPGA的PLL支持片内级联。也可以通过一个PLL同时产生TDC时钟和模拟HIT时钟。实际应用的时候还是用到了PLL级联，这是因为产生TDC时钟的PLL在产生TDC时钟的时候其FVCO频率已经被确定下来，所以在现有FVCO频率下是否能产生合适的用以模拟HIT的时钟还需认真考虑。

笔者实际使用的TDC时钟是250MHz，那么就需要另外一个PLL产生一个低速时钟，并且相位关系越复杂越好（即相关性越差越好）。为了验证上述分析，笔者作了三个实验，这三个实验分别用PLL产生了三个与250MHz时钟不同相位关系的模拟HIT时钟，实验的结果分别如图3、图4和图5所示。

图3：模拟HIT时钟和TDC时钟有10种相位关系

图4：模拟HIT时钟和TDC时钟有19种相位关系

图5：模拟HIT时钟和TDC时钟有205种相位关系

        图3可以明显看出实际测量的结果模拟的HIT和TDC时钟确实只有10种相位关系（不考虑时钟的skew和jitter），而图4虽然看不出19种相位关系，但是时钟的skew，jitter以及延时链的非线性特性，某些相位的HIT很有可能已经重合而连在了一起，但是从数据上还是可以明显分辨出13组独立的数据，那些长连续的数据可以被高度怀疑为两个相邻相位拼接在一起了。图5的测试结果和实际使用随机（random）HIT所得到的测试结果基本相同，如图6所示。

图6：随机HIT测试结果