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  • 常用的频率比较电路有
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    2019-09-08 16:01:31

     

     

    如何提高电路工作频率

        对于设计者来说,我们当然希望我们设计的电路的工作频率(在这里如无特别说明,工作频率指FPGA片内的工作频率)尽量高。我们也经常听说用资源换速度,用流水的方式可以提高工作频率,这确实是一个很重要的方法,今天我想进一步去分析该如何提高电路的工作频率。

    我们先来分析下是什么影响了电路的工作频率。

    我们电路的工作频率主要与   寄存器到寄存器之间的信号传播时延  及  clock skew   有关。在FPGA内部如果时钟走长线的话,clock skew很小,基本上可以忽略, 在这里为了简单起见,我们只考虑信号的传播时延的因素。

    信号的传播时延包括  寄存器的开关时延 走线时延     经过组合逻辑的时延   ( 这样划分或许不是很准确,不过对分析问题来说应该是没有可以的),要提高电路的工作频率,我们就要在这三个时延中做文章,使其尽可能的小。

    我们先来看开关时延,这个时延是由器件物理特性决定的,我们没有办法去改变,所以我们只能通过改变走线方式和减少组合逻辑的方法来提高工作频率。

    1.通过改变走线的方式减少时延

     以altera的器件为例,我们在quartus里面的timing closure floorplan可以看到有很多条条块块,我们可以将条条块块按行和按列分,每一个条块代表1个LAB,每个LAB里有8个或者是10个LE。它们的走线时延的关系如下:同一个LAB中(最快) < 同列或者同行< 不同行且不同列。
    (1)通过给综合器加适当的约束

    不可贪心,一般以加5%裕量较为合适,比如电路工作在100Mhz,则加约束加到105Mhz就可以了,贪心效果反而不好,且极大增加综合时间

    (2)可以将相关的逻辑在布线时尽量布的靠近一点,从而减少走线的时延

    注:约束的实现不完全是通过改进布局布线方式去提高工作频率,还有其它的改进措施

     

    2.通过减少组合逻辑,减少时延

    上面我们讲了可以通过加约束来提高工作频率,但是我们在做设计之初可万万不可将提高工作频率的美好愿望寄托在加约束上,我们要通过合理的设计去避免出现大的组合逻辑从而提高电路的工作频率,这才能增强设计的可移植性,才可以使得我们的设计在移植到另一同等速度级别的芯片时还能使用。

    (1)切割组合逻辑,减少LUT级联

    减少输入条件

    目前大部分FPGA都基于4输入LUT/6输入LUT,如果一个输出对应的判断条件大于四输入的话就要由多个LUT级联才能完成,这样就引入一级组合逻辑时延,我们要减少组合逻辑,无非就是要输入条件尽可能的少,这样就可以级联的LUT更少,从而减少了组合逻辑引起的时延。

    流水线技术切割组合逻辑

    流水线技术(PipeLine)就是一种通过切割大的组合逻辑(在其中插入一级或多级D触发器,从而使寄存器与寄存器之间的组合逻辑减少)来提高工作频率的方法。比如一个32位的计数器,该计数器的进位链很长,必然会降低工作频率,我们可以将其分割成4位和8位的计数,每当4位的计数器计到15后触发一次8位的计数器,这样就实现了计数器的切割,也提高了工作频率。

    将计数器移除FSM

        在状态机中,一般也要将大的计数器移到状态机外,因为计数器一般是经常是大于4输入的,如果再和其它条件一起做为状态的跳变判据的话,必然会增加LUT的级联,从而增大组合逻辑。以一个6输入的计数器为例,我们原希望当计数器计到111100后状态跳变,现在我们将计数器放到状态机外,当计数器计到111011后产生个enable信号去触发状态跳变,这样就将组合逻辑减少了。

    上面说的都是可以通过流水的方式切割组合逻辑的情况,但是有些情况下我们是很难去切割组合逻辑的,在这些情况下我们又该怎么做呢?

     (2)切割大状态机

        状态机就是这么一个例子,我们不能通过往状态译码组合逻辑(一般为case语句)中加入流水。如果我们的设计中有一个几十个状态的状态机,它的状态译码逻辑将非常之巨大,毫无疑问,这极有可能是设计中的关键路径。那我们该怎么做呢?还是老思路,减少组合逻辑。我们可以对状态的输出进行分析,对它们进行重新分类,并根据这个重新定义成一组组小状态机,通过对输入进行选择(case语句)并去触发相应的小状态机,从而实现了将大的状态机切割成小的状态机。在ATA6的规范中(硬盘的标准),输入的命令大概有20十种,每一个命令又对应很多种状态,如果用一个大的状态机(状态套状态)去做那是不可想象的,我们可以通过case语句去对命令进行译码,并触发相应的状态机,这样做下来这一个模块的频率就可以跑得比较高了。

    总结:提高工作频率的本质就是要减少寄存器到寄存器的时延,最有效的方法就是避免出现大的组合逻辑,也就是要尽量去满足四输入的条件,减少LUT级联的数量。我们可以通过加约束、流水、切割状态的方法提高工作频率。

     

     

     

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    常用的模拟信号的传输方式有电压传输、电流传输和频率传输,其中电压传输的方式最为简单方便,成本最低,但是电压信号在传输的过程中最容易受到干扰,并且传输过程会有损耗,因此不适合远距离传输。将电压转换为电流或者频率后,可以进行远距离传输,且抗干扰能力强,其中电流传输的抗干扰能力最好,传输距离最远,但是成本较高,而频率在距离超过100m时波形会失真,抗干扰能力介于电压和电流之间。

    本文主要介绍基于LM331的频率-电压转换电路,关于LM331的简介和电压-频率转换电路可以参考《基于LM331的电压频率转换电路》

    1.LM331用于F/V转换的工作原理

    如图1所示,为LM331用于F/V转换时的原理方框图。脉冲信号经过C1和R3组成的微分电路输入到比较器的反相输入端(引脚6),比较器的同相输入端(引脚7)经过R1和R2分压后接到电源VCC,RL和CL组成的RC网络与引脚1相连,引脚2的RS用来调整电流大小,Rt和Ct组成的积分电路连接定时比较器的同相输入端。

    当脉冲信号的下降沿到来时,引脚6处会出现负向的尖端脉冲,当引脚6的电压低于引脚7,输入比较器输出高电平,R-S触发器置位,Q端输出高电平,电流开关接通引脚1,镜像电流源给电容CL充电,引脚1输出高电平。此时,由于复位晶体管截止,电源VCC通过电阻Rt给电容Ct充电,当Ct两端电压大于2/3VCC时,定时比较器输出高电平,R-S触发器复位(此时引脚6的电压已经高于引脚7),Q端输出低电平,电流开关断开与1脚的连接,此时CL通过RL对外放电,维持引脚1的电压。同时,复位晶体管导通,Ct对外放电。当下一个脉冲信号的下降沿到来时,重复以上过程,从而实现频率与电压的转换。

    引脚1的电压为Vo=I×RL,其中I为流过引脚1的平均电流,大小为I=i×(1.1RtCt)×fIN。其中i=1.90V/RS。由以上可得:

          

    图1 LM331用于F/V转换的原理框图

    2.LM331用于F/V转换的电路

    LM331用于F/V转换的电路如图2所示,其中C1不能选择的过小,否则脉冲信号下降沿到来时,引脚6无法提供足够幅值的尖端脉冲,从而无法触发输入比较器,但是C1过大又会降低电路的抗干扰能力。RL和CL组成的低通滤波器可以使输出电压纹波小于10mV,增大CL的值有助于降低纹波,但是会使降低电路响应速度,所以应该综合考虑各个参数的取值。引脚2可以串联一个固定电阻和一个可变电阻,调整由RL、Rt和Ct引起的误差。

       

    图2 LM331的F/V转换电路

     


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    目录

    7.1  目的

    7.2  分析原理

    7.3  仿真分析  

    7.4  注意事项

    7.5  总结与思考


    7.1  目的

    1. 掌握系统频率特性曲线的测试方法。

    2. 了解常用线性系统的选频特性和相移特性。

    7.2  分析原理

    1.系统的频率响应特性

    从理论课程的学习中可知,系统可以从时间域和频率域两个角度来进行研究。一个LTI系统,时域、频域之间的关系符合图7-1。

    图7-1  LTI系统时域、频域之间的关系

    把系统的频域响应向量R(jω)与激励向量E(jω)相比,即得到系统的频率响应特性

    系统的频率响应特性其模H(jω)和幅角ϕ(ω)都是频率的函数。H(jω)称为系统的“幅度频率响应特性”,它反映了响应与激励在幅度上与频率的关系,简称幅频特性;ϕ(ω)称为系统的“相位频率响应特性”,它反映了响应与激励的相移与频率的关系,简称相频特性。幅频特性和相频特性两者统称为系统的“频率响应特性”,简称“频率特性”或“频响特性”。

    2.系统频率特性的测试方法

    系统频率特性分为系统的幅频特性和相频特性两大部分。

    (1)系统幅频特性的测试

    系统幅频特性的测量方法主要有逐点描绘法和扫频测量法。

    逐点描绘法是严格按照频率特性的定义进行的。图7-3为逐点描绘法测量系统频率特性的原理方框图。其中,信号发生器为系统提供频率可调、幅度恒定的输入电压U1,在整个工作频段内逐点改变输入信号的频率f,用交流电压表分别测出对应各个测量频率f时的输入电压U1和输出电压U2,计算出U2与U1的比值,即可根据测量数据描绘出幅频特性曲线。

    图7-3  逐点描绘法测量系统频率特性的原理方框图

    逐点描绘法的优点是可以使用常用的简单仪器进行测量,但由于测量一条特性曲线需取的频率点一般需要7个以上,较费时间。而且由于测量时间过长会因测量仪器不稳定等原因影响到测试数据的准确性,因此,所测得的频率特性是近似的。

    扫频测量法主要使用频率特性测试仪(又称扫频仪)进行测量,它能在仪表的荧光屏上直接显示出一定频率范围内的频率特性曲线。此方法本书不做详细介绍。

    (2)系统相频特性的测试

    系统相频特性可以采用示波器测量法和交流电压表间接测量法进行测试,这两种方法本质上仍然属于逐点描绘法。

    采用示波器测量法可以根据图7-3,使用双踪示波器来完成测试。即在整个工作频段内逐点改变输入信号的频率f,测量出系统中同频率正弦输入信号U1与输出信号U2之间的时间差B,以及该正弦信号的周期A,然后根据公式计算出相位差,即可描绘出相频特性曲线。

    采用交流电压表间接测量法,则只适用于元件较少的电路系统。可以根据幅频测量时获得的输入电压U1和输出电压U2,以及它们之间的相量关系图,计算出对应各频率点的相位差j,描绘出相频特性曲线。

    7.3  仿真分析  

    1.测量RC 高通电路的幅频特性和相频特性

    (1)搭建RC高通滤波器实验电路。

    (2)根据原理,已知该电路的幅频特性和相频特性曲线如图7-5所示,其中f≥fc的频率范围为系统的通频带,截止频率。 

    (3)测量幅频特性。调节信号源DDS的频率在0.1~15kHz范围之间变换,在这个范围内选取测量频率点,测量U1并保持其为2V,再测量对应各频率xU2的数据,将数据记入表7-1中。计算,在坐标纸上逐点描绘RC高通电路的幅频特性曲线。

       图7-5  RC高通电路的幅频特性和相频特性            

    表7-1  RC高通电路幅频特性和相频特性的测量

    f /kHz

    0.2

    0.5

    1.0

    1.5

    2.0

    2.5

    3.0

    3.5

    4.0

    5.0

    6.0

    8.0

    10.0

    12

    U1/V

    1.998

    1.995

    1.997

    1.997

    1.997

    1.997

    1.997

    1.997

    1.997

    1.997

    1.997

    1.997

    1.997

    1.997

    U2/V

    0.192

    0.467

    0.865

    1.167

    1.388

    1.537

    1.644

    1.714

    1.775

    1.845

    1.884

    1.936

    1.956

    1.965

    U2/U1

    0.096

    0.234

    0.433

    0.584

    0.695

    0.770

    0.823

    0.858

    0.889

    0.924

    0.943

    0.969

    0.969

    0.984

    ϕ读测/°

    90

    67.5

    56.25

    56.25

    45

    33.75

    33.75

    22.5

    22.5

    22.5

    11.25

    11.25

    11.25

    11.25

    注意记录fc=      2081.5  HZf'c =   2140    HZ     。其中,fcRC高通电路截止频率的理论值。当输入信号的频率f =fc时,输出信号的电压应符合U2 = 0.707U1。实验中,请根据这一特性测出该电路截止频率的实际测量值f'c

    (4)测量相频特性。将双踪示波器同时测量输入电压U1和U2,用双踪示波器读测对应不同频率时的相位差,数据记入表7-1中ϕ读测一栏。在坐标纸上逐点描绘RC高通电路的相频响应曲线。

     (信号源输出频率为0.2kHz时波形差和U1U2的测量结果)

     (信号源输出频率为0.2kHz时正弦波周期的测量结果)

     (RC高通电路幅频特性曲线)

     (RC高通电路相频特性曲线)

    2.测量RC 低通电路的幅频特性和相频特性

    (1)搭建RC低通滤波器实验电路。

     (2)根据原理,已知该电路的幅频特性和相频特性曲线如图7-5所示,其中f≤fc的频率范围为系统的通频带,截止频率

    (3)测量幅频特性。调节信号源DDS的频率在0.1~15kHz范围之间变换,在这个范围内选取测量频率点,用交流电压表测量U1并保持其为2V,再测量对应各频率时U2的数据,将数据记入表7-2中。计算,在坐标纸上逐点描绘RC低通电路的幅频特性曲线。

    表7-2  RC低通电路幅频特性和相频特性的测量

    f /kHz

    1

    2

    3

    4

    5

    6

    6.5

    7

    7.5

    8

    8.5

    9

    10

    12

    U1/V

    1.992

    1.996

    1.997

    1.997

    1.997

    1.997

    1.997

    1.997

    1.997

    1.997

    1.997

    1.997

    1.997

    1.997

    U2/V

    1.979

    1.924

    1.844

    1.748

    1.640

    1.536

    1.486

    1.434

    1.383

    1.333

    1.291

    1.250

    1.170

    1.025

    U2/U1

    0.993

    0.964

    0.923

    0.875

    0.821

    0.769

    0.744

    0.718

    0.693

    0.668

    0.646

    0.626

    0.586

    0.513

    ϕ /°

    0

    22.5

    22.5

    33.75

    33.75

    45

    45

    45

    45

    56.25

    56.25

    56.25

    56.25

    67.5

    注意记录fc=    7246      ,f'c =    7000     。其中,fcRC低通电路截止频率的理论值。当输入信号的频率f =fc时,输出信号的电压应符合U2 = 0.707U1。实验中,请根据这一特性测出该电路截止频率的实际测量值f'c

    (4)测量相频特性。将双踪示波器同时测量输入电压U1和U2,用双踪示波器读测对应不同频率时的相位差,数据记入表7-2中ϕ一栏。在坐标纸上逐点描绘RC低通电路的相频响应曲线。

     (信号源输出频率为1kHz时波形差和U1U2的测量结果)

     (信号源输出频率为1kHz时正弦波周期的测量结果)

     (RC低通电路幅频特性曲线)

     (RC低通电路相频特性曲线)

      3.测量带通滤波器的幅频特性

    (1)搭建RC带通滤波器实验电路。

    (2)测量幅频特性。

            在0.1~20kHz范围之间选取测量频率点, U1保持其为2V,再测量对应各频率时U2的数据,将测量数据记入表7-3。

            在f0的两边的两个截止频率fc1fc2之间为通带,对应U2U1的比值应为0.707。实验中应测量电路的实际频率f'c1f'c2,将测量数据记入表7-3。在坐标纸上逐点描绘电路的幅频特性曲线。

    表7-3  RC双T形电路幅频特性的测量

    f /kHz

    2

    2.5

    3

    4

    5

    6

    7

    8

    10

    12

    15

    18

    20

    U1/V

    2.000

    2.000

    1.999

    2.000

    2.000

    2.000

    1.999

    1.998

    1.998

    1.999

    1.996

    1.992

    1.993

    U2/V

    1.453

    1.549

    1.597

    1.649

    1.667

    1.653

    1.639

    1.615

    1.549

    1.477

    1.364

    1.255

    1.184

    U2/U1

    0.7265

    0.7745

    0.7989

    0.8245

    0.8335

    0.8265

    0.8199

    0.8083

    0.7753

    0.7389

    0.6834

    0.6300

    0.5941

    /

    f'c1=1.84kHz

    /

    f'c2

    正在上传…重新上传取消=13.6kHz

     (信号源输出频率为2kHz时波形差和U1U2的测量结果)

     (信号源输出频率为2kHz时正弦波周期的测量结果)

     (RC双T形电路幅频特性曲线)

    7.4  注意事项

    1. 在测量频率范围内各频率点的选择应以足够描绘一条光滑而完整的曲线为准,在变化率小的地方可以少测几点,在变化率大的地方应多测几点,但测量点总数不得少于10个。

    2.测量各频率特性时,应注意在改变频率时保持被测电路的输入电压不变。

    7.5  总结与思考

    1. 列写各实验数据表格。

    2. 绘制各实测频率响应特性曲线。(附在每个表格后)

    受于文本原因,本文相关实验工程无法展示出来,现已将资源上传,可自行下载。

     山东大学电路分析实验7工程文件RC电路的频率响应及选频网络特性测试-其它文档类资源-CSDN下载山东大学电路分析实验7工程文件RC电路的频率响应及选频网络特性测试详解博客地址:https:/更多下载资源、学习资料请访问CSDN下载频道.https://download.csdn.net/download/m0_52316372/85943006

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    福利干货,第一时间送达

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    一、 桥式整流电路

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    1、二极管的单向导电性:

    伏安特性曲线:

    理想开关模型和恒压降模型:

    2、桥式整流电流流向过程:

    输入输出波形:

    3、计算:Vo, Io,二极管反向电压。

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    二、 电源滤波器

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    1、电源滤波的过程分析:

    波形形成过程:

    2、计算:滤波电容的容量和耐压值选择。

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    三、 信号滤波器

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    1、信号滤波器的作用:

    与电源滤波器的区别和相同点:

    2、LC 串联和并联电路的阻抗计算,幅频关系和相频关系曲线。

    3、画出通频带曲线。

    计算谐振频率。

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    四、 微分和积分电路

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    1、电路的作用,与滤波器的区别和相同点。

    2、微分和积分电路电压变化过程分析,画出电压变化波形图。

    3、计算:时间常数,电压变化方程,电阻和电容参数的选择。

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    五、 共射极放大电路

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    1、三极管的结构、三极管各极电流关系、特性曲线、放大条件。

    2、元器件的作用、电路的用途、电压放大倍数、输入和输出的信号电压相位关系、交流和直流等效电路图。

    3、静态工作点的计算、电压放大倍数的计算。

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    六、 分压偏置式共射极放大电路

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    1、元器件的作用、电路的用途、电压放大倍数、输入和输出的信号电压相位关系、交流和直流等效电路图。

    2、电流串联负反馈过程的分析,负反馈对电路参数的影响。

    3、静态工作点的计算、电压放大倍数的计算。

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    七、 共集电极放大电路(射极跟随器)

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    1、元器件的作用、电路的用途、电压放大倍数、输入和输出的信号电压相位关系、交流和直流等效电路图。电路的输入和输出阻抗特点。

    2、电流串联负反馈过程的分析,负反馈对电路参数的影响。

    3、静态工作点的计算、电压放大倍数的计算。

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    八、电路反馈框图

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    1、反馈的概念,正负反馈及其判断方法、并联反馈和串联反馈及其判断方法、电流反馈和电压反馈及其判断方法。

    2、带负反馈电路的放大增益。

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    九、二极管稳压电路

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    十、串联稳压电源

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    十一、差分放大电路

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    十二、场效应管放大电路

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    十三、选频(带通)放大电路

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    十四、运算放大电路

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    十五、差分输入运算放大电路

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    十六、电压比较电路

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    十七、RC振荡电路

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    十八、LC振荡电路

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    十九、石英晶体振荡电路

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    二十、功率放大电路

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    来自:网络,电子电路

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