摘要：本文介紹了基于 FPGA的高精度 PWM發(fā)生器的設(shè)計方法和流程。本課題采用了自行設(shè)計的高速時序比較器，并對 RTL級電路進行邏輯層優(yōu)化和布局指導(dǎo)優(yōu)化，最終實現(xiàn)了 200MHz的時序收斂。整體設(shè)計通過了布局布線后仿真驗證。本設(shè)計成功的應(yīng)用到了一個電機控制器內(nèi)部，實踐表明本課題所提出的高精度 PWM發(fā)生器設(shè)計方案是合理、有效的。

1.引言

脈寬調(diào)制技術(shù)（ Pulse Width Modulation, PWM）起源很早，隨著科學技術(shù)的發(fā)展，廣泛應(yīng)用在電力、電子、微型計算機、自動控制等多個學科領(lǐng)域。自 80年代初以來，出現(xiàn)了多種 PWM實現(xiàn)方法，歸納起來有自然采樣法、規(guī)則采樣法或諧波消去法等等，其中自然采樣法最能真實地反映 PWM的控制思想，效果最好。對于傳統(tǒng)的控制器而言，自然采樣法算法是一個超越方程，需用計算機迭代求解，運算時間較長。如果事先算好存入存儲器，則不僅浪費了存儲空間，而且設(shè)計不靈活，精度低。近幾年推出的 DSP處理器雖然在芯片內(nèi)部整合 PWM發(fā)生器模塊，但是這些模塊已經(jīng)在硅片上實現(xiàn)了，不能夠隨意調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)，缺乏靈活性，不能夠適應(yīng)復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計。

本課題在 FPGA上實現(xiàn)了高精度的 PWM發(fā)生器，在 Xilinx公司的 Spartan3(-4速度級別 )主流低端 FPGA器件上可以約束到高達 200MHz工作頻率，并支持 14位以上的可調(diào)數(shù)據(jù)位寬。設(shè)計全參數(shù)化配置，作為可重用模塊能夠嵌入到更大的 FPGA應(yīng)用系統(tǒng)中，具有較高的工程應(yīng)用價值。

2.高精度 PWM發(fā)生器的設(shè)計與實現(xiàn)

a) RTL級邏輯設(shè)計

本設(shè)計采用的是自然采樣法產(chǎn)生 PWM波形。首先對實際的模擬電壓值進行離散化，然后將離散化后的調(diào)制數(shù)據(jù)與載波數(shù)據(jù)進行實時比較，比較結(jié)果輸送給死區(qū)信號發(fā)生器模塊，該模塊將死區(qū)保護時間附加到比較結(jié)果中，并輸出 PWM波形。其中死區(qū)信號發(fā)生器的死區(qū)時間是可調(diào)的，以適應(yīng)不同場合下的死區(qū)時間要求。

本設(shè)計主要有三個主要模塊組成，分別是載波發(fā)生器、時序等于比較器和死區(qū)保護發(fā)生器。設(shè)模塊位寬為 W，現(xiàn)分別介紹設(shè)計要點如下。

1、載波發(fā)生器：設(shè)計采用了鋸齒波作為 PWM載波。從電路的角度來講設(shè)計鋸齒波發(fā)生器會比設(shè)計三角波發(fā)生器使用更少的組合邏輯資源，從而有利于時序約束到較高的頻率。為減少寬位寬的計數(shù)器的進位鏈長度，采用 Prescaled結(jié)構(gòu)的計數(shù)器，將其拆分為 2位計數(shù)器和（W-2）位計數(shù)器，

減少了組合邏輯延遲。在優(yōu)化階段通過設(shè)定 MultiCycle約束，還可以進一步提高器件工作速度。

2、時序等于比較器：該比較器不同于普通的純組合邏輯等于比較器。通過例化 FPGA的底層子元件，在該等于比較器內(nèi)部插入了一級 D觸發(fā)器，大大減少了由于數(shù)據(jù)位寬增加而增加組合邏輯延遲。由于存在一級寄存器，比較結(jié)果需要延遲一個時鐘周期才能夠輸出。對于 PWM調(diào)制這種應(yīng)用場合，高精度情況下可以接受比較結(jié)果的一個時鐘周期延遲，因此使用該比較器造成的比較誤差非常小。

3、死區(qū)保護發(fā)生器：根據(jù)給定的死區(qū)長度數(shù)據(jù)，將輸入的 PX信號輸出為 PH和 PL信號，并在 PH和 PL數(shù)據(jù)的變沿時刻插入死區(qū)保護（同時置為高電平）。具體方式是通過上升計數(shù)器和下降計數(shù)器來實現(xiàn)的：上橋臂控制信號 PH在 PX信號為 1并且上升計數(shù)器計數(shù)完成后才置 1，此時上橋臂開通；下橋臂控制信號 PL在 PX信號為 0并且下降計數(shù)器計數(shù)完成后才置 1，此時下橋臂開通。這個機制能夠保證上下橋臂不會同時導(dǎo)通。

為了保證時序收斂，根據(jù)實際情況，考慮到死區(qū)保護發(fā)生器模塊的任務(wù)是插入保護時間，因此工作速度可以較低，故工作頻率設(shè)計為 100MHz；其余兩個模塊的工作頻率設(shè)計為 200MHz。如圖 2-1所示，跨越異步時鐘域的信號線只有 PX。由于這兩個時鐘域同相且具有二分頻關(guān)系，只需要對比較器輸出信號進行二倍脈沖展寬即可。

由于死區(qū)時間在不同的應(yīng)用場合下也是不同的，且一般都在 1us以上。因此根據(jù)設(shè)計的技術(shù)指標，設(shè)計了一個 6位寄存器保存死區(qū)寬度數(shù)據(jù)，并在設(shè)計內(nèi)部對輸入數(shù)據(jù)進行重新移位，以適應(yīng)死區(qū)時間的區(qū)間可調(diào)特性。據(jù)設(shè)計測算，模塊工作頻率在 100MHz下，死區(qū)時間可以在 2.5us到 5us區(qū)間內(nèi)實現(xiàn) 64檔調(diào)整。

b)結(jié)構(gòu)優(yōu)化實現(xiàn)

經(jīng)過 RTL級設(shè)計之后，進行軟件默認的綜合和布局布線并不能夠收斂到 200MHz。根據(jù)靜態(tài)時序分析報告，發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵路徑仍存在于比較器的組合邏輯上。根據(jù)路徑分析，雖然比較器進行了優(yōu)化設(shè)計后減小了組合邏輯本身的延遲，但是軟件自動布局布線之后的網(wǎng)線延遲很大，沒有達到預(yù)期的優(yōu)化效果。因此對該部分邏輯采用 Floorplanner工具進行手動布局，如圖 2-2所示。

圖 2-2中 DFF為 D觸發(fā)器，實現(xiàn)了中間結(jié)果的一個時鐘周期寄存； LUT為查找表，在此處用法為 FG(Function Generator，功能發(fā)生器 )，比較器的內(nèi)含邏輯即保存在查找表中； Carrylink為進位鏈，布局到 FPGA中的直接進位鏈上，這樣進位延遲最小。通過手動布局約束，可以讓軟件在自動布局布線過程中預(yù)先分配好這些關(guān)鍵邏輯的布局資源，減小關(guān)鍵路徑上的連線延遲。

圖 2-3是本 PWM發(fā)生器應(yīng)用在一個三相步進電動驅(qū)動器中的布局實例。該實例例化了三個本 PWM發(fā)生器以驅(qū)動三相橋臂，參見圖 2-2右上部分。通過該實例，充分說明了只要手動布局關(guān)鍵資源，模塊可以以同樣的優(yōu)化結(jié)構(gòu)復(fù)用到更大的 FPGA應(yīng)用當中去。

經(jīng)過 Floorplanner布局之后，時序收斂。靜態(tài)時序分析表明該模塊的最大周期時間為 4.642ns(折算過來的頻率達到 215MHz)，其中 3.409ns為邏輯延遲 , 1.233ns為布線延遲，邏輯延遲占到了總延遲的 73.4%，達到這個優(yōu)化效果是非常令人滿意的。

進行布局布線后仿真時發(fā)現(xiàn)設(shè)計有些情況下會出現(xiàn)模塊 reset失敗的現(xiàn)象。經(jīng)過分析，發(fā)現(xiàn)是異步重置的 recovery time和 removal time無法滿足某些 200MHz工作的 D觸發(fā)器的要求。這是因為本模塊都是采用的異步 reset，而異步 reset網(wǎng)絡(luò)在 FPGA內(nèi)部是唯一的，具有非常大的全局扇出，對于大型設(shè)計很容易造成數(shù)納秒級別的傳輸延遲。而 200MHz的 D觸發(fā)器工作周期才只有 5納秒，很容易造成時序錯誤。根據(jù)這一情況，對進行本模塊的異步 reset信號進行了本地同步化，將異步 reset信號同步到三個完全相同的 D觸發(fā)器內(nèi)部，再分派給三個子模塊，有效的減低了扇出系數(shù)。修改后的設(shè)計就沒有再出現(xiàn)過 reset失敗的現(xiàn)象了。

3.設(shè)計的仿真與驗證本設(shè)計采用 ModelSim軟件進行仿真驗證。通過功能仿真驗證設(shè)計的正確性，通過布局布線后仿真驗證實際工作的正確性和穩(wěn)定性。

圖 3-1是 PWM發(fā)生器的功能仿真波形。圖中的 ph和 pl兩根信號線就是 PWM發(fā)生器的輸出信號。該仿真采用了 14位數(shù)據(jù)寬度，其 PWM輸出的載波頻率為 200MHz / 214 = 12.2KHz。死區(qū)保護時間在 2.5us~5us時間內(nèi)可調(diào)。在給定 pwm寄存器和 deadprotect寄存器的輸入后，該發(fā)生器能夠正確地產(chǎn)生指定的 PWM波形輸出。使用仿真波形圖中的游標進行測算，所有波形數(shù)據(jù)符合設(shè)計預(yù)期。功能仿真通過。

3-2是 PWM發(fā)生器的布局布線后仿真波形圖。根據(jù)同樣的方法，測算在不同輸入波形的寬度，并計算驗證，所有波形數(shù)據(jù)符合設(shè)計預(yù)期。布局布線后仿真通過。

本設(shè)計最終占用 FPGA資源如表 3-1所示?？梢姳驹O(shè)計經(jīng)過優(yōu)化后，綜合后工作速度高，資源占用非常小。參數(shù)化的設(shè)計，可重用性也非常好。

4.結(jié)束語

本文提出了一種在 FPGA器件上實現(xiàn)高精度 PWM發(fā)生器的設(shè)計方法。首先根據(jù) PWM調(diào)制原理選擇了其中效果最好的采用自然采樣法調(diào)制 PWM信號。根據(jù)自然采樣法的思想，將設(shè)計分拆為三個子模塊，每個子模塊都相對功能簡單，并且易于設(shè)計和優(yōu)化。考慮到以后工程應(yīng)用的移植性，設(shè)計采用了參數(shù)化方式，主要的數(shù)據(jù)位寬和參數(shù)都可以直接在常數(shù)聲明文件中進行配置。在每一個子模塊的設(shè)計工程中，都分為了 RTL功能設(shè)計和結(jié)構(gòu)優(yōu)化兩部分——RTL功能設(shè)計實現(xiàn)模塊功能，結(jié)構(gòu)優(yōu)化是在功能不變的前提下，通過等效結(jié)構(gòu)變換減小設(shè)計的組合邏輯延遲，避免高扇出網(wǎng)絡(luò)，提高設(shè)計穩(wěn)定性。在結(jié)構(gòu)優(yōu)化中，還解決了 200MHz以上高速設(shè)計中異步 reset信號存在的潛在不穩(wěn)定性問題。完成了設(shè)計和優(yōu)化工序后，對設(shè)計進行了功能仿真和布局布線后仿真，經(jīng)過人工計算比對， PWM發(fā)生器的輸出完全符合預(yù)期，保證了之前的設(shè)計工作的正確性。最后給出了 FPGA資源占用表格，供重用該模塊*估時使用。

本文作者創(chuàng)新點：在比較器部分的設(shè)計當中，創(chuàng)造性地設(shè)計了內(nèi)部帶有一級 D觸發(fā)器的等于比較器，并給出了最佳的 Floorplanner布局圖，解決了高位寬下過長的進位鏈帶來的大延遲的問題，在控制精度和器件工作頻率之間找到了一個兼顧二者的契合點。采用了這種類型的比較器之后，本 PWM發(fā)生器可以在 200MHz的工作頻率下支持非常高的數(shù)據(jù)位寬，提供非常精確的 PWM調(diào)制波形。