毛刺現(xiàn)象的消除方法

毛刺現(xiàn)象的消除方法

   在FPGA的設(shè)計(jì)中，毛刺現(xiàn)象是長(zhǎng)期困擾電子設(shè)計(jì)工程師的設(shè)計(jì)問(wèn)題之一, 是影響工程師設(shè)計(jì)效率和數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)有效性和可靠性的主要因素。由于信號(hào)在FPGA的內(nèi)部走線和通過(guò)邏輯單元時(shí)造成的延遲,在多路信號(hào)變化的瞬間，組合邏輯的輸出常常產(chǎn)生一些小的尖峰，即毛刺信號(hào)，這是由FPGA 內(nèi)部結(jié)構(gòu)特性決定的。毛刺現(xiàn)象在FPGA的設(shè)計(jì)中是不可避免的，有時(shí)任何一點(diǎn)毛刺就可以導(dǎo)致系統(tǒng)出錯(cuò),尤其是對(duì)尖峰脈沖或脈沖邊沿敏感的電路更是如此。

　　因此，克服和解決毛刺問(wèn)題對(duì)現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)尤為重要。本文從FPGA的原理結(jié)構(gòu)的角度探討了產(chǎn)生毛刺的原因及產(chǎn)生的條件，在此基礎(chǔ)上，總結(jié)了多種不同的消除方法，在最后結(jié)合具體的應(yīng)用對(duì)解決方案進(jìn)行深入的分析。

工具/原料

• D觸發(fā)器

• 系統(tǒng)的啟動(dòng)信號(hào)、控制信號(hào)、握手信號(hào)

• 觸發(fā)器的清零信號(hào)(CLEAR)、預(yù)置信號(hào)(PRESET)、時(shí)鐘輸入信號(hào)(CLK)或鎖存器的輸入信號(hào)
  
  

方法/步驟

1. 1利用冗余項(xiàng)法

   　　利用冗余項(xiàng)消除毛刺有2種方法：代數(shù)法和卡諾圖法，兩者都是通過(guò)增加冗余項(xiàng)來(lái)消除險(xiǎn)象，只是前者針對(duì)于函數(shù)表達(dá)式而后者針對(duì)于真值表。以卡諾圖為例，若兩個(gè)卡諾圓相切，其對(duì)應(yīng)的電路就可能產(chǎn)生險(xiǎn)象。因此，修改卡諾圖，在卡諾圖的兩圓相切處增加一個(gè)圓，以增加多余項(xiàng)來(lái)消除邏輯冒險(xiǎn)。但該法對(duì)于計(jì)數(shù)器型產(chǎn)生的毛刺是無(wú)法消除的。

2. 2采樣法

   　　由于冒險(xiǎn)多出現(xiàn)在信號(hào)發(fā)生電平跳變的時(shí)刻，即在輸出信號(hào)的建立時(shí)間內(nèi)會(huì)產(chǎn)生毛刺，而在保持時(shí)間內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)，因此，在輸出信號(hào)的保持時(shí)間內(nèi)對(duì)其進(jìn)行采樣，就可以消除毛刺信號(hào)的影響，常用的采樣方法有2種:一種使用一定寬度的高電平脈沖與輸出相與，從而避開(kāi)了毛刺信號(hào)，取得輸出信號(hào)的電平值。這種方法必須保證采樣信號(hào)在合適的時(shí)間產(chǎn)生，并且只適用于對(duì)輸出信號(hào)時(shí)序和脈沖寬度要求不嚴(yán)的情況。另一種更常見(jiàn)的方法叫鎖存法，是利用D觸發(fā)器的輸入端D對(duì)毛刺信號(hào)不敏感的特點(diǎn)，在輸出信號(hào)的保持時(shí)間內(nèi)，用觸發(fā)器讀取組合邏輯的輸出信號(hào)。由于在時(shí)鐘的上升沿時(shí)刻，輸出端Q=D，當(dāng)輸入的信號(hào)有毛刺時(shí)，只要不發(fā)生在時(shí)鐘的上升沿時(shí)刻，輸出就不會(huì)有毛刺。這種方法類(lèi)似于將異步電路轉(zhuǎn)化為同步電路，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但同樣會(huì)涉及到時(shí)序問(wèn)題。

3. 3吸收法

   　　由于產(chǎn)生的毛刺實(shí)際上是高頻窄脈沖，故增加輸出濾波，在輸出端接上小電容C就可以濾除毛刺。但輸出波形的前后沿將變壞，在對(duì)波形要求較嚴(yán)格時(shí)，應(yīng)再加整形電路，該方法不宜在中間級(jí)使用。

4. 4延遲法

   　　因?yàn)槊套罱K是由于延遲造成的，所以可以找出產(chǎn)生延遲的支路。對(duì)于相對(duì)延遲小的支路，加上毛刺寬度的延遲可以消除毛刺。但有時(shí)隨著負(fù)載增加，毛刺會(huì)繼續(xù)出現(xiàn)，而且，當(dāng)溫度變化，所加的電壓變化或要增加邏輯門(mén)時(shí)，所加的延遲是不同的，必須重新設(shè)計(jì)延遲線，因而這種方法也是有局限性的。而且采用延遲線的方法產(chǎn)生延遲會(huì)由于環(huán)境溫度的變化而使系統(tǒng)可靠性變差。

5. 5硬件描述語(yǔ)言法

   這種方法是從硬件描述語(yǔ)言入手，找出毛刺產(chǎn)生的根本原因，改變語(yǔ)言設(shè)計(jì)，產(chǎn)生滿(mǎn)足要求的功能模塊，來(lái)代替原來(lái)的邏輯功能塊。一個(gè)3位計(jì)數(shù)器可能會(huì)在011到100和101到110發(fā)生跳變時(shí)產(chǎn)生毛刺，究其原因是因?yàn)橐淮斡?位發(fā)生跳變，可以采用VHDL語(yǔ)言對(duì)計(jì)數(shù)器編寫(xiě)如下，產(chǎn)生的計(jì)數(shù)模塊代替原來(lái)普通的計(jì)數(shù)器。