FPGA设计中毛刺信号及其消除

在组合逻辑电路中，信号要经过一系列的门电路和信号变换。由于延迟的作用使得当输入
信号发生变化时，其输出信号不能同步地跟随输入信号变化，而是经过一段过渡时间后才
能达到原先所期望的状态。这时会产生小的寄生毛刺信号，使电路产生瞬间的错误输出，
造成逻辑功能的瞬时紊乱。在FPGA内部没有分布电感和电容，无法预见的毛刺信号可通过
设计电路传播，从而使电路出现错误的逻辑输出。

任何组合电路、反馈电路和计数器都可能是潜在的毛刺信号发生器。毛刺并不是对所有输
入都有危害，如触发器的Ｄ输入端，只要毛刺不出现在时钟的上升沿并满足数据的建立保
持时间，就不会对系统造成危害。而当毛刺信号成为系统的启动信号、控制信号、握手信
号，触发器的清零信号(ＣＬＥＡＲ)、预置信号(ＰＲＥＳＥＴ)、时钟输入信号(ＣＬＫ)
或锁存器的输入信号就会产生逻辑错误。任何一点毛刺都可能使系统出错，因此消除毛刺
信号是FPGA设计中的一个重要问题。毛刺问题在电路连线上是找不出原因的，只能从逻辑
设计上采取措施加以解决。消除毛刺的一般方法有以下几种：

(１)利用冗余项消除毛刺

函数式和真值表所描述的是静态逻辑，而竞争则是从一种稳态到另一种稳态的过程。因此
竞争是动态过程，它发生在输入变量变化时。此时，修改卡诺图，增加多余项，在卡诺图
的两圆相切处增加一个圆，可以消除逻辑冒险。但该法对于计数器型产生的毛刺是无法消
除的。

(２)取样法

由于冒险出现在变量发生变化的时刻，如果待信号稳定之后加入取样脉冲，那么就只有在
取样脉冲作用期间输出的信号才能有效。这样可以避免产生的毛刺影响输出波形。

(３)吸收法

增加输出滤波，在输出端接上小电容Ｃ可以滤除毛刺，如图３所示。但输出波形的前后沿
将变坏，在对波形要求较严格时，应再加整形电路，该方法不宜在中间级使用。


４)延迟办法

因为毛刺最终是由于延迟造成的，所以可以找出产生延迟的支路。对于相对延迟小的支路
，加上毛刺宽度的延迟可以消除毛刺。但有时随着负载增加，毛刺会继续出现，因而这种
方法也是有局限性的。而且采用延迟线的方法产生延迟更会由于环境温度的变化而使系统
变不可靠。

(５)锁存办法

当计数器的输出进行相"与"或相"或"时会产生毛刺。随着计数器位数的增加，毛刺的数量
和毛刺的种类也会越来越复杂。毛刺在计数器电路输出中的仿真结果如图４所示，从图中
可发现有毛刺出现。此时，可通过在输出端加Ｄ触发器加以消除。接Ｄ触发器后仿真结果
如图５所示。


从图５可以看到，数据中的毛刺被明显消除。当FPGA输出有系统内其它部分的边沿或电平
敏感信号时，应在输出端寄存那些对险象敏感的组合输出。对于异步输入，可通过增加输
入寄存器确保满足状态机所要求的建立和保持时间。对于一般情况下产生的毛刺，可以尝
试用Ｄ触发器来消除。但用Ｄ触发器消除时，有时会影响到时序，需要考虑很多问题。所
以要仔细地分析毛刺产生的来源和毛刺的性质，采用修改电路或其它办法来彻底消除。

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