在低成本FPGA中实现动态相位调整

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在FPGA中，动态相位调整(DPA)主要是实现LVDS接口接收时对时钟和数据通道的相位补偿，以达到正确接收的目的。ALTERA的高端FPGA，如STRATIX(r) 系列中自带有DPA电路，但低端的FPGA，如CYCLONE(r)系列中是没有的。本文主要阐述如何在低端FPGA中实现这个DPA的功能。
实现架构 在LVDS输入接收时，时钟和数据的相位可能是不确定的，因此我们需要将时钟的相位作出调整，使得时钟能稳定的采集到输入数据。工作的核心就是用锁相环PLL的相位调整功能，产生若干个时钟的不同相位，看哪些相位能准确的采集到输入数据，然后取窗口中间的一个时钟相位，作为正常工作时的采样时钟。比如通过PLL产生0，45，90，135，……，315度8个相移的时钟，如果0，45，90度相移的时钟能正确采样到输入，那么最后选取中间相位，即45度的时钟作为采样时钟。这样接口上具有最大的时序裕量，从而保证链路的可靠性。图1为这个设计的基本结构，通过PLL调整相位的接口，产生了时钟的不同相位来采集数据，最后选择一个最合适的相位。 CYCLONE系列的PLL的相位调整接口时序如图2所示，当用户逻辑控制phasestep, phasecounterselect与phaseupdown信号时，PLL的输出时钟C0就改变一次相位。在QII生成PLL时，用户必须选上create optional inputs for dynamic phase reconfigure，否则缺省是不会有这些管脚的，如图3所示。另外必须在output clock tab中写入phase shift step resolution的值，这样才能确定每次相位调整的步长。
应用实例 本例中的参考设计采用CYCLONE3器件，与ADI公司的ADS5277接口，已经在硬件上测试过，证明是有效的。ADS5277是一款8通道高速ADC芯片，主要用于超声设备以及测试设备中。图4是该参考设计电路框图。 ADS5277送到FPGA的是一个192MHz的时钟，8路LVDS数据，速率是384Mbps。上电复位后ADS5277发送的数据是‘0101010101……’，FPGA启动DPA电路，准确确定时钟相位后再通过控制信号，使得ADS5277发送‘000000111111……’这样的PATTERN，FPGA可以确定字的边界，这一步成功以后，FPGA就可以通过控制信号让ADS5277发送正常工作时的数据，因为经过了时钟相位调整这一过程，以后的数据采样是非常稳定的，不会受到温度电压变化来的影响。 当然这个设计可以和所有LVDS发送芯片接口，并不只限于ADS5277。甚至可以应用于ALTERA高端FPGA中，比如STRATIX4的带有DPA专用电路的管脚只分布在左右bANK，而用到这个设计的话，上下bANK的IO也能使用。DPA设计所消耗的逻辑资源是非常小的，选用器件为3C16F256C8, 如表1所示。

图1、在FPGA中实现DPA设计架构。

图2、PLL的相位调整接口时序。


                          
                       
                          
                                图3、

图4、参考设计电路框图。

表1、资源消耗