[发明专利]一种基于FPGA的可编程纳秒级定时精度脉冲发生器

说明书

一种基于FPGA的可编程纳秒级定时精度脉冲发生器，包括FPGA以及连接在FPGA外围的上位机、晶振电路、脉冲幅度控制电路和脉冲边沿调理电路，FPGA包括串口控制模块、指令解析模块、定时与脉冲串发生模块、时钟控制模块、SPI控制模块和OSERDES控制模块。本发明使用一片FPGA和少量外围电路实现纳秒级定时精度的多通道脉冲信号，并在FPGA内部实现通用异步收发传输串口协议，使脉冲发生器具备可编程控制功能，脉冲周期、脉冲宽度和脉冲延时均可通过串口编程控制，搭配脉冲幅度控制电路，使脉冲幅度可编程。本发明电路尺寸小，结构简单，可以独立工作，又可以作为模块化电路集成到其他系统中。

技术领域

本发明属电子技术领域，涉及一种脉冲发生器，具体指一种可编程式的多通道纳秒级高精度脉冲发生器，能够输出多路脉冲幅度、脉冲周期、脉冲宽度和脉冲延时均可编程的脉冲信号，周期、脉宽和延时的调整精度达到1ns。其可以作为脉冲信号源应用于信号采集和信号测量等领域。

背景技术

高精度脉冲发生技术在信号测量、信号生成、激励信号产生等应用领域具有十分广泛的应用需求。在一些高速信号测量如光脉冲信号测量领域，需要利用高精度脉冲信号作为采样触发信号，对ADC芯片的采样时刻和采样长度进行精确控制。特别是在多通道采样领域，要求多路脉冲信号的延时精确可控。随着信号频率的提高，脉冲发生技术对信号脉宽、周期和脉冲上升、下降沿等精度要求日渐提高。

尽管许多仪器厂商提供了高精度脉冲发生器等专用仪器，但是高昂的价格和较大的体积限制了其应用场景。在确保脉冲参数高精度的同时，更小的电路的体积和更低的生产成本具有显著的实际意义。高精度定时控制是脉冲产生电路的关键，现有方案大多采用MCU或FPGA实现计数器的方法来控制脉冲时间，其脉冲时间精度受限于计数器时钟频率，难以实现纳秒级的定时精度。

发明内容

为了解决现有技术存在的问题，本发明目的在于提供一种基于FPGA的可编程纳秒级定时精度脉冲发生器。本发明基于FPGA的输出串行器/解串器(OSERDES)技术，提出一种多通道脉冲信号发生器，实现1ns的高精度脉冲时序控制方法，并在FPGA内部实现通用异步收发传输(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART)串口协议，使脉冲发生器具备可编程控制功能，脉冲周期、脉冲宽度和脉冲延时均可通过串口编程控制，搭配脉冲幅度控制电路，使脉冲幅度可编程。本发明作为一种灵活、廉价、人机控制方便的脉冲发生器方案，可以拓展脉冲发生器的应用范围，满足多种场合的应用需求。

为实现本发明之目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种基于FPGA的可编程纳秒级定时精度脉冲发生器，包括FPGA以及连接在FPGA外围的上位机、晶振电路、脉冲幅度控制电路和脉冲边沿调理电路，FPGA包括串口控制模块、指令解析模块、定时与脉冲串发生模块、时钟控制模块、SPI控制模块和OSERDES控制模块。

所述上位机与FPGA中的串口控制模块连接，串口控制模块用于接收来自上位机的脉冲控制指令，脉冲控制指令包括脉冲幅度、脉冲周期、脉冲宽度和通道间的脉冲延时。

指令解析模块与串口控制模块连接，串口控制模块将上位机的脉冲控制指令输出给指令解析模块，指令解析模块用于解析上位机的脉冲控制指令，将上位机的脉冲控制指令转换为内部控制字，包括脉冲幅度控制字和脉冲控制字。

定时与脉冲串发生模块与指令解析模块连接，定时与脉冲串发生模块接收指令解析模块输出的脉冲控制字，针对每一路脉冲生成相应的8bit的脉冲串。定时与脉冲串发生模块的输出连接OSERDES控制模块，OSERDES控制模块接收定时与脉冲串发生模块输出的8bit的脉冲串，在高速时钟的驱动下将8bit脉冲串转换为串行比特流并输出给脉冲边沿调理电路。脉冲边沿调理电路对FPGA输出的串行比特流进行边沿调理，调整脉冲上升时间、下降时间和脉冲电平并将脉冲输出出去。