基于FPGA 的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)*

常高嘉，馮全源

(西南交通大學微電子研究所，成都610031)

電子信息技術近些年來持續(xù)迅猛發(fā)展，通信信號的帶寬已變得越來越寬，調制方式也從傳統(tǒng)的模擬調制發(fā)展到數(shù)字調制、矢量調制，編碼方式也在不斷地趨于復雜化。為了滿足對較寬頻域范圍內高頻、瞬態(tài)信號細節(jié)的精確、實時檢測分析，必須要有一種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，這種系統(tǒng)必須具有高采樣率、高分辨率，以便于對高速、復雜的信號進行快速的采樣、存儲、傳輸和分析。應用可編程門陣列FPGA 可使數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有高度的靈活性，基于FPGA 的高速數(shù)據(jù)采集是現(xiàn)代測試系統(tǒng)中非常重要的一種數(shù)據(jù)記錄與處理設備［3］。

本文設計了一種由AD、FPGA 和DSP 組成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，系統(tǒng)的采樣精度為12 bit，采樣率為100 MSPS。該系統(tǒng)主要用于對盲信號的分離及信號參數(shù)的識別。

1 系統(tǒng)結構

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的原理框圖如圖1 所示。該系統(tǒng)使用的ADC 芯片為ADI 公司的AD9233，采樣精度為12 bit，采樣率為100 MSPS;FPGA 選用的是Altera 公司的CycloneⅢ系列EP3C16Q240C8;DSP為TI 公司的TMS320C6416，其最高主頻為1 GHz。該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由前端信號調理電路、模數(shù)轉換電路、FPGA 電路和DSP 電路組成。

圖1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結構圖

模擬信號首先經(jīng)過前端調理電路使其幅度轉換成適合AD9233 處理的范圍，并將單端信號轉換成差分信號后輸出給AD9233，AD9233 在采樣時鐘的控制下完成模數(shù)轉換，然后FPGA 將ADC 量化后的信號寄存在FIFO 中，最后DSP 通過接口電路從FPGA 的FIFO 中讀取數(shù)據(jù)并做后續(xù)的一些處理。整個系統(tǒng)中，DSP 起主控作用，它控制著FPGA 是否對AD 的輸出數(shù)據(jù)進行寄存及是否從FPGA 的FIFO 中讀取數(shù)據(jù)。

本高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的關鍵是前端調理電路的設計與實現(xiàn)。前端調理電路完成對輸入信號幅度的調整，阻抗匹配，并把單端信號變成抗噪性更好的差分信號。前端調理電路的抗干擾能力、增益控制特性、頻率特性、時延特性等是設計中需要重點考慮的因素，本設計中使用變壓器模式和放大器模式來完成前端調理電路的設計。

2 設計實現(xiàn)

2.1 前端調理電路

前端調理電路的作用是將模擬信號的幅度調整為適合ADC 芯片處理的范圍，同時將單端信號轉變成AD 需要的差分信號。本設計中采用了兩種方法設計前端調理電路，一種是使用變壓器，一種是差分放大器的方法。兩種方式的電路如圖2 和圖3 所示。

圖2 采用變壓器分式的前端調理電路

圖3 采用差分放大器方式的前端調理電路

兩種方法各有優(yōu)缺點，需要根據(jù)模擬信號的特點和設計目標來確定選擇哪種處理方式。由于變壓器是無源交流耦合器件，所以產(chǎn)生的噪聲很小，只能將交流信號輸出到ADC 芯片，同時它的通帶平坦性和驅動能力差，無動態(tài)隔離能力，提高增益會降低AD 的模擬帶寬。而放大器是有源器件，會產(chǎn)生較大的噪聲，但是它的通帶平坦性和驅動能力好，可以提高動態(tài)隔離，增益提高后對AD 的模擬帶寬影響很小。通過分析變壓器和放大器的特點，前端調理電路優(yōu)先器件的選擇可以總結為表1 所示。

表1 ADC 前端調理電路中變壓器和放大器的性能對比

2.2 時鐘電路

ADC 芯片的采樣是在時鐘的控制下完成的，所以時鐘信號的質量對AD 的影響非常大，特別是高速、高分辨率ADC 或是中頻欠采樣時對時鐘輸入信號的質量尤為敏感。所設計的電路如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)的時鐘電路

本設計用一個100 MHz 的有源晶振產(chǎn)生時鐘源，然后用一個變壓器將單端時鐘信號轉成差分信號后交流耦合到AD 的CLK+和CLK－引腳端，并在變壓器的次級，靠近CLK+和CLK－引腳處跨接一組背對背肖特基二極管。這兩個二極管可以將輸入到AD 的時鐘信號限制為約差分0.8 V 峰峰值。這樣，既可以保留信號的快速上升和下降時間，還可以防止時鐘的大電壓擺幅饋通至AD9233 的其他部分，這一點對時鐘的低抖動性能來說非常重要。

2.3 FPGA 程序設計

ADC 芯片輸出數(shù)據(jù)的速度是100 Mbyte/s，而DSP 接口速度低于100 Mbyte/s，所以需要通過FPGA對數(shù)據(jù)進行緩存。FPGA 通過使用FIFO 的方法來完成數(shù)據(jù)的緩存。FPGA 的程序設計由Verilog 語言實現(xiàn)，主要由4 部分組成，與AD 的接口程序、與DSP 的接口程序、循環(huán)FIFO、控制器?？刂破鞯淖饔檬菍SP 發(fā)送的控制命令進行譯碼，然后控制循環(huán)FIFO的讀和寫狀態(tài);FPGA 與AD 的接口程序根據(jù)AD 的數(shù)據(jù)時鐘輸出信號將AD 輸出的數(shù)據(jù)正確存入FPGA的FIFO 中;FPGA 與DSP 的接口程序根據(jù)DSP 的控制信號將地址總線和數(shù)據(jù)總線上的值傳送給控制器，由控制器來對DSP 的命令進行譯碼。

設計完成后整體的系統(tǒng)實物如圖5 所示。

圖5 系統(tǒng)的整體實物圖

3 PCB 設計及硬件電路的調試

3.1 PCB 設計

高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，PCB 的設計也是非常關鍵的一方面。PCB 的設計的好壞決定走線上信號的質量。本設計中采用了以下方法來提供信號的質量。

①差分信號要走嚴格的等長差分線。差分線可以提高信號的抗噪性，減小外界對信號的干擾。

②電路中的數(shù)字地和模擬地分割開，最后在一點通過0 Ω 電阻連接起來，這樣做能夠減小數(shù)字地中的高頻雜波對模擬電路的影響。

③對晶振部分的電路做包地處理。時鐘信號是ADC 轉換中的又一關鍵特性。為保證時鐘的頻譜純度，設計中將晶振部分的電路做了包地處理，這樣可以很好地降低外界對晶振的干擾。

④AD 的10 bit 數(shù)字輸出到接口部分的各條走線要等長。等長線可以保證AD 輸出的各個bit 位的數(shù)字信號到達接口處的延時相同。

3.2 硬件電路的調試

本電路的調試分3 個階段完成，電源電路的調試、前端調理電路的調試和數(shù)字電路的調試。

(1)電源電路的的調試 首先焊接各個電源芯片，并測試電源芯片輸出電壓的紋波。

(2)前端調理電路的調試 本設計中的前端調理電路有變壓器和放大器兩種模式，需測試兩種模式適合處理的輸入信號。經(jīng)調試發(fā)現(xiàn)，變壓器模式適合處理信號幅度較大噪聲大的輸入信號，而放大器適合處理信號幅值小的輸入信號。

(3)數(shù)字電路的調試 該部分完成對AD 控制電路的調試，如AD 差分輸入的最大峰峰值、是否使用AD 內的占空比穩(wěn)定器、各bit 位的數(shù)字輸出到接口處的延時情況等。

4 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)測試選用的信號源是Tektronix 公司的AFG3252，選用的是頻率是1 MHz，峰峰值為5 V 的正弦波。通過在DSP 中編程讀取FPGA 的FIFO 中的數(shù)據(jù)，得到的波形如圖6 所示?？梢钥闯鯠SP 得到的數(shù)據(jù)穩(wěn)定且基本上沒有雜波，為后續(xù)的數(shù)據(jù)處理奠定了良好的基礎。

圖6 DSP 中讀取到的系統(tǒng)處理完成的波形

5 結論

本文完成了由AD、FPGA 和DSP 組成的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計。本文對硬件電路中的前端調理電路和時鐘電路做了詳細的介紹。前端調理電路采樣了變壓器和放大器的兩種設計方法，根據(jù)輸入信號特性選用不同的設計電路;時鐘電路采用差分信號以減小外界的干擾，同時還在時鐘輸入端加了背對背肖特基二極管以增加穩(wěn)定性。用Verilog 語言完成了FPGA 部分的控制電路、FIFO、FPGA 與AD 和DSP 的接口程序設計，完成了對數(shù)據(jù)的緩存，最后在DSP 中可以穩(wěn)定地讀取到ADC 量化后的波形。

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