基于CPLD的智能宽带去边沿抖动技术

在电子设计和测量过程中，信号边沿抖动是我们经常碰到的现象。如下图示，t1，t2，...，t4，信号电平变化时出现多次随机快速变化，这种随机变化在有的场合可以容忍，但大部分时候是难以容忍的，比如精密测量、精确控制、军用装备等等。常规的解决办法有滤波、平滑以及触发器设计等等，但是，这些方法在某些场合是无能为力的。本文提出的基于CPLD的去抖动方法可以有效解决大部分问题，为后续信号处理和测量的正确进行提供了保证。


图1　抖动

边沿抖动的产生机理

模拟电路中产生边沿抖动的机理
　　
模拟电路中信号产生抖动主要发生在模拟信号向数字信号转换的时候(也即信号幅度离散化过程中)。这里有两种情况：一是输入模拟信号波形失真，二是幅度离散化电路的原因。

模拟信号波形失真常见有三个来源：(1)噪声或干扰等有害模拟信号的窜扰，如从开关电源窜入的齿状毛刺干扰情形如图2(a)所示；(2)模拟处理电路的非线性失真，如差分对管的不一致等，见图2(b)所示；(3)模拟信号源的失真，一般来自于传感器失真或被检测物理量本身的不规则变化。对于理想比较器，模拟输入信号在阈值附近的失真将引起沿抖动，如图3(a)所示；对于带施密特触发器的比较器，阈值附近的较大波动也能引起沿抖动，如图3(b)所示。


图2　模拟信号波形失真


图3　上升沿失真波形通过比较器

模拟信号通过比较器，或放大后通过数字门电路，都可实现幅度离散化而成为脉冲数字信号。实际电路中，在阈值VT附近一般有两极限值：有效低电平输入的最大值VA、有效高电平输入的最小值VB，如图3(c)所示。当输入落在之间的模糊区中，尤其是在靠近VT附近时，内部电路就相当于一个增益非常大的开环放大器，后级窜入的微小反馈都会引起振荡而形成多次触发。因此，即使把一个足够幅度足够光滑的低频正弦波形加到门电路的输入端，由于过VT点电压斜升率太小，当通过逻辑模糊带(ΔV=VB-VA)的时间(t2-t1)远大于门电路传播延迟tpd时，其输出必将是前后沿都多次抖动的脉冲波形(图3d)。对于比较器，ΔV一般为几毫伏，而TTL门电路，VB=2.4V，VA=0.8V，所以会更易出现边沿抖动。

数字电路中产生边沿抖动的机理
　　
数字电路中产生边沿抖动主要发生在以下几个方面：(1)开关器件的多次触发；(2)逻辑设计的缺陷；(3)不匹配终端长线效应。

开关器件的多次触发是最常见的，如键盘按键的多次连接，继电器的触头多次接触等等，本来只有一次信号变化却形成了若干次变化。逻辑设计缺陷产生抖动的机理是：逻辑冒险或竞争，逻辑设计不合理造成瞬时毛刺，这种情况也是经常发生，很难完全避免。在无终端匹配的长线上，高频脉冲信号在线上多次往返传播，将在脉冲前后沿形成长长的余振，当余振幅度足够大时，对接收端门电路即成为沿抖动。

边沿抖动产生的危害

对于状态数据信号，边沿抖动的危害一般较小，仅当系统正好在沿抖动时刻采样才会引起数据错误。控制信号、复位信号的边沿抖动常会造成的误操作，引起逻辑混乱，甚至损坏执行机构。而如果时钟信号发生沿抖动，利用该时钟沿工作的锁存器、计数器、定时器等电路的结果将可能完全错误。

常规去抖动方法

针对抖动的产生机理，我们把常规去抖动的方法也归纳为两类：去模拟信号抖动方法和去开关信号抖动方法，分别被用在模拟电路部分设计和数字电路设计中进行去抖动处理。

去模拟信号抖动方法
　　
由于模拟信号的质量经常是引起抖动的源头，因而对模拟信号的处理更受关注。常用的方法主要包括以下几个方面：(1)平滑滤波；(2)施密特触发器；(3)单稳态触发器。

平滑滤波是常用的方法。让信号从检测带的随机快速变化钝化为缓变信号，滤除不相干的频率成分，这样就可以弱化引起抖动的信号分量，在检测带内就可准确检测信号的逻辑电平。电路实现一般是用电阻电容或加运算放大器组成的有源/无源低通、带通或带阻滤波器。

施密特触发器对信号的整形是利用了电平延迟形成触发电平屏蔽区间的原理。当输入信号电平超过门限VB使输出置成高电平后，仅当输入电平下降到比VB更低的门限VA时才能使输出翻转，而之间过程是保持不变。于是，只要信号抖动范围小于高低门限电平差，即可保证不发生抖动。而且，由于上下翻转电平有足够的差值，输出上下沿将会陡直，减小了后续门电路出现沿抖动的可能性。

单稳态触发器对信号的整形是利用了时间延迟形成触发时间屏蔽区间的原理。当信号超过某个电平时，触发器翻转，在内部定时没有完成前不随信号变化而变化，定时时间由外部电路设定，这样也可对信号频率已知情况的信号去除掉快变抖动。