摘 要

高速窄脉冲技术已经成为许多电子系统的关键技术之一。传统的谐振电路产生的脉冲波重复频率较低、脉宽较宽，已经极少作为通用脉冲信号。利用数字电路的竞争冒险原理产生的脉冲波形可编程能力较弱，灵活性较差，不便于扩展。可编程数字集成电路的出现弥补了上述的不足，利用FPGA能产生参数可调的高速窄脉冲信号。

本文首先对脉冲的相关参数进行分析，介绍了FPGA的结构和特点以及FPGA的开发流程，同时也对本文运用到的一些基础知识进行了简要说明。详细的叙述了本文产生脉冲波的基本原理，即采用“高速并串转换”的方法产生参数可调的高速窄脉冲。采用该方法产生脉冲优点是可以利用频率较低时钟驱动信号产生较窄的脉冲信号，避免了由于频率太高影响FPGA的布局布线和产生时序紊乱问题。利用Verilog硬件描述语言完成 FPGA 内部逻辑电路的设计和实现高速极窄脉冲信号的产生。将核心模块封装成IP核后，搭建了嵌入式验证平台对IP核功能的正确性进行验证测试。产生的脉冲信号参数可以调整，重复频率为1KHz-100KHz，最小脉冲宽度为3ns。

关键词：脉冲信号，FPGA，IP核

Abstract

High-speed, narrow-pulse technology has become one of the key technologies for many electronic systems. The traditional resonant circuit generates a pulse wave with a low repetition frequency and a wide pulse width, and has rarely been used as a universal pulse signal. The pulse waveform generated by the competition and risk principle of digital circuits has poor programmability, poor flexibility and inconvenience of expansion. The appearance of the programmable digital integrated circuit has filled the above-mentioned deficiency, can use FPGA to produce the parameter adjustable high-speed and narrow pulse signal.

This paper first analyzes the related parameters of the pulse, introduces the structure and characteristics of the FPGA and the development flow of the FPGA, and also briefly explains some of the basic knowledge used in this paper. The basic principle of the pulse wave generated in this paper is described, that is, the "high-speed parallel-to-serial conversion" method is used to generate a high-speed narrow pulse with adjustable parameters. The advantage of using this method to generate a pulse is that a narrower pulse signal can be generated by using a clock signal with a relatively low frequency, which avoids the problem of placement and routing and the disorder of the timing due to the high frequency. The use of Verilog hardware description language to complete the design of FPGA internal logic circuit and realize the generation of high speed and narrow pulse signal. After the core modules are encapsulated into IP cores, an embedded verification platform is built to verify the correctness of the IP core functions. The generated pulse signal parameters can be adjusted with a repetition rate of 1 KHz to 100 KHz and a minimum pulse width of 3 ns.

Keyword：Pulse，FPGA, IP Core

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪 论 1

1.1目的及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3论文主要工作及结构 2

第2章 脉冲波形特征 3

2.1脉冲信号波形特征 3

2.1.1单脉冲信号的波形特征 3

2.1.2复合脉冲信号的波形特征 4

2.2脉冲产生的原理 5

2.3 FPGA简介 6

2.3.1FPGA结构和特点 6

2.3.2 FPGA开发流程 7

2.4 AXI总线及基础IP核简介 10

2.4.1 AXI总线简介 10

2.4.2 MicroBlaze简介 11

2.4.3 ILA简介 12

2.4.4 IP核简介 12

2.5本章小结 13

第3章 脉冲实现 14

3.1 系统设计总体方案设计 14

3.2脉冲信号输出模式控制 15

3.3脉冲信号产生模块 16

3.3.1脉冲产生方案设计 16

3.3.2脉冲信号IP核设计 18

3.4通信控制模块 19

3.4.1 Lwip协议的分层 20

3.4.2 数据传输的过程 20

3.4.3通信模块的搭建 21

3.5显示模块 22

3.5.1 LCD1602液晶概述 22

3.5.2　LCD控制 23

3.6本章小结 24

第4章 功能测试 25

4.1嵌入式验证平台搭建 25

4.2脉冲产生IP核功能测试 26

4.3显示模块测试 27

4.4网络控制模块测试 28

4.5本章小结 29

第5章 总结与展望 30

5.1总结 30

5.2展望 30

参考文献 31

致 谢 33

第1章 绪 论

1.1目的及意义

脉冲技术是伴随着电子测试技术的蓬勃发展而兴起，各种各样高性能脉冲发生器广泛应用于不同领域：具有高带宽、高频率分辨率的可控脉冲信号用于数字集成电路、高速系统和射频电路等测试中；在光谱学中常用窄脉冲信号驱动LED从而产生脉冲光进行材料测量研究；在疾病生物医学领域中用窄脉冲激发电场诱导细胞凋亡来治疗癌症^[1]；在光纤传感领域中，高速脉冲信号的激光驱动电路是OTDR实现高分辨率的关键；此外，纳秒级脉冲宽度和以下数量级窄脉冲常用于超宽带无线通信。因此高速窄脉冲技术已经成为许多电子系统技术关键技术。

在脉冲波形产生方面，脉冲产生研制初期采用谐振电路等模拟电路来产生脉冲，所产生的脉冲波波形不理想，随着电子技术的发展和模拟电路技术不断改善，提出了整形电路对谐振电路产生的脉冲波进行整形。但由于该种方法产生的脉冲频率范围窄、重复频率分辨率低等缺陷已逐渐被淘汰。后期随着数字电路出现和蓬勃发展，提出用数字技术的竞争冒险原理和波形合成技术产生脉冲，但利用该方法产生的脉冲波可编程能力较弱，设计的脉冲发生电路只能应用于特定的系统，缺乏扩展能力。现场可编程逻辑门阵列FPGA是一种可以编程的数字集成电路，它包含了可配置的逻辑块、可配置的 I/O 模块和可编程互联资源这三个基本模块^[2]。其具有低成本、高度集成化、数据处理与运算的高速度、高性能以及灵活的接口方式等优势^[3]。为了满足通用脉冲技术的要求和扩展脉冲波发生器应用场合，本文结合FPGA丰富的逻辑资源，设计一个能产生可编程的高速脉冲信号发生器，使该脉冲波发生器能应用于多种应用场合，而不再局限于某个特定的系统。

1.2 国内外研究现状

脉冲技术研制的最初阶段是利用谐振电路等模拟电路的方法产生脉冲信号。该种方法产生脉冲信号的缺点主要有：脉冲的重复频率比较低，产生的脉冲波脉宽比较窄和脉冲的变换的梯度较缓。随着模拟电子技术的发展，提出纳秒级的脉冲信产生技术，即通过利用雪崩晶体管的电流放大特性，或利用单传输线的原理产生脉冲信号。由于这些方法利用雪崩晶体管和传输线的固有特性来产生窄脉冲，因此它不具有可调脉宽的能力。随着数字技术发展和成熟，采用数字技术产生脉冲方法逐渐代替原来的模拟技术产生脉冲方法。集成电路的发展使数字技术产生脉冲的电路规模大大的减小，且脉冲的可编程能力也逐步提高。

国外在脉冲产生技术方面的研究起步比较早，脉冲产生研制技术也比较成熟。在脉冲产生技术处于领先水平的是美国 Keysight 公司（原 Agilent 公司）和 Tektronix 公司。Agilent公司脉冲发生器的种类很多，其产生的脉冲频率覆盖率极广，可以覆盖从15MHz到 13.5GHz。目前，Agilent公司最主要的脉冲发生器的型号有811O1 A，81104A， 8111 OA，8113 OA，81132A和81141A。同时Agilent公司和Tektronix公司产生的极窄脉冲的性能也领先于其他的公司。Agilent公司的81142A型号的脉冲发生器产生的极窄脉冲的最小脉宽达35ps;泰克Tektronix公司性能最好的脉冲发生器DTG5334输出的脉冲最小脉宽达290ps^[4]。

国内在脉冲研制方面起步较国外晚和技术不足等原因导致国内的脉冲发生器研制技术还不够成熟，还处于起步和摸索阶段。凭借着国人坚持不懈的努力和孜孜不倦的专研，国内脉冲产生技术也取得了相当快的进步。电子科技大学和南通南峰电子公司分别在脉冲研制和脉冲产生方面处于领先水平，而其他公司则相对比较差^[5]。电子科技大学研制的脉冲发生器产生的脉冲波最高频率达250MHz，既能单端输出也能以差分信号的形式输出；由南峰电子生产的脉冲发生器产生的脉冲最高频率也达到了100MHz^[6]。相比国外，国内的脉冲产生技术和脉冲发生器的研制技术相差甚远，为了赶上国外，还需要做出极大地努力。

1.3论文主要工作及结构

本文首先分析的脉冲波的参数特征和对硬件平台进行介绍。然后提出脉冲波的产生的方案。利用Verilog硬件描述语言完成 FPGA 内部逻辑电路的设计并对硬件电路进行调试，实现高速极窄脉冲信号的产生。最后将脉冲产生模块封装成IP核，并设计嵌入式平台验证IP核功能的正确性。本论文结构安排如下：

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