一種多通道高速高精度PXIe 數(shù)據(jù)采集模塊設計*

唐新懿 ，曹 平 ，解立坤 ，李 超 ，黃錫汝 ，安 琪

(1.中國科學技術大學 核探測與核電子學國家重點實驗室，安徽 合肥230026；2.中國科學技術大學 近代物理系，安徽 合肥230026)

0 引言

數(shù)據(jù)采集技術是信息技術的重要內(nèi)容，它研究數(shù)據(jù)的采集、存儲、處理和控制問題[1]。 現(xiàn)如今，多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛應用于諸如核物理、高能物理、航空航天、醫(yī)療衛(wèi)生、通信等各個領域中。 隨著數(shù)據(jù)采集需求的日趨復雜[2]，人們對采集系統(tǒng)性能指標的要求也越來越高， 例如高采樣率、高精度等[3]。 IC 工藝的飛速發(fā)展使得ADC 芯片的性能不斷提升[4]，這讓數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同時具備高采樣率與高精度成為可能。 本文設計了一種基于FPGA 的 八 通 道、500 MS/s 采 樣 率、14 bit 采 樣 精 度的數(shù)據(jù)采集模塊，該模塊為標準的PXIe 插卡模塊，通過PXIe 機箱背板總線以及機箱控制器與上位機進行通信，最終實現(xiàn)了上位機與FPGA 協(xié)同完成數(shù)據(jù)采集與性能測試。

1 采集卡總體設計

數(shù)據(jù)采集卡采用子母板的結(jié)構(gòu)：ADC 子板和數(shù)據(jù)讀出母板，子板主要負責對模擬信號進行調(diào)理和采集，母板負責將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C，兩塊板通過FPGA Mezzanine Card(FMC)連 接 器 相 連。 FMC 標 準是一種針對FPGA 的夾層卡標準，通過它可以使設計更具模塊化與可拓展性[5]。 模擬信號從子板輸入，首先會經(jīng)過模擬調(diào)理電路，對信號進行放大、偏置調(diào)整、單端轉(zhuǎn)差分、濾波后進入ADC 進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，采集下來的數(shù)據(jù)通過高速串行接口JEDEC Standard No.204B(JESD204B)經(jīng)由FMC 連接器傳輸?shù)侥赴宓腇PGA，再通過Peripheral Component Interconnect Express(PCIe)總線傳輸至PXIe 機箱控制器，最后可通過控制器網(wǎng)口傳輸?shù)缴衔粰C。 采集卡的參數(shù)配置與數(shù)據(jù)上傳可通過上位機進行靈活控制。 采集系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 采集系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 ADC 子板設計

子板電路結(jié)構(gòu)如圖2 所示，主要包含兩級放大電路、時鐘模塊、電源模塊、ADC 和DAC。 其中，兩級放大電路包含一級單端放大器(AD8099)和一級單端轉(zhuǎn)差分放大器(ADA4927-1)，DAC 產(chǎn)生的模擬電平輸送到差分放大器的反相輸入端，可調(diào)節(jié)信號的直流偏置。 單片ADC 為四通道差分輸入，因此共有2 片ADC，對應8 通道模擬信號輸入。 時鐘模塊為2 片ADC 提供必要的采樣時鐘(CLK_IN1、CLK_IN2)和參考時鐘(SYSREF1、SYSREF2)，同時為母板的FPGA提供系統(tǒng)時鐘(DEVCLK)、參考時鐘(SYSREF)和數(shù)據(jù)傳輸時鐘(GTHCLK)。 電源模塊需要為子板所有的芯片供電，提 供了3 V、1.9 V、1.15 V、3.3 V、±5 V 等多種供電電壓，此外，還為單端轉(zhuǎn)差分放大器提供了2 V 的共模電壓，以適配ADC 的輸入要求。

為了實現(xiàn)8 個采集通道的同步，需要滿足2 片ADC 接收到的采樣時鐘、參考時鐘、SYNC 信號各自都對齊[6]。 因此，在設計中讓2 片ADC 的時鐘來源于同一個時鐘芯片，并且在PCB 布線時通過等長處理來保證時鐘模塊輸出到2 片ADC 的采樣時鐘、參考時鐘各自的相位對齊。 由FPGA 給到ADC 的SYNC 信號，可在邏輯設計時由同一個核產(chǎn)生，以保證相位的對齊。

2.1 兩級放大電路

模擬信號從子板輸入后，需要經(jīng)過兩級放大電路的模擬調(diào)理，調(diào)理包含線性放大、直流偏置調(diào)節(jié)、單端轉(zhuǎn)差分、濾波，兩級放大電路的具體結(jié)構(gòu)如圖3所示(NC 表示不連接)。 所選用的單端放大器(AD8099)和差分放大器(ADA4927-1)均為極低噪聲的放大器，AD8099 輸入噪聲密度為輸入噪聲密度為除此之外，兩款放大器還擁有較好的諧波失真性能[7-8]。

兩級放大的電路結(jié)構(gòu)讓增益選擇更加靈活，可以通過更換電阻的阻值來適應不同的增益需求。 第一級放大器AD8099 的增益為：

第二級放大器ADA4927-1 的增益約為：

圖2 子板結(jié)構(gòu)框圖

圖3 兩級放大電路

圖3 電路中第一級放大增益為3，第二級放大增益為2。 在只需要一級放大或需要小于1 的增益時，也可通過調(diào)整電阻阻值將第一級放大器旁路掉。 在只使用ADA4927-1 時，需要增加匹配電阻R18，以保證輸入阻抗為50 Ω。 差分放大器輸入阻抗為：

為了達到50 Ω 的輸入阻抗匹配，需滿足：

同時，反相輸入端的匹配電阻也需做相應的更改：

DAC 產(chǎn)生的模擬電平從差分放大器反相端輸入，它與差分放大器增益乘積的相反數(shù)即為對最終信號的直流偏置調(diào)節(jié)。 在此模擬電平接入處設置了一個下拉電阻R15，當它存在時，可大大減小DAC接入所造成的信號諧波失真。 選用此下拉電阻是對比測試后的結(jié)果，具體可見4.1.1 小節(jié)。

R16、R17、C4 組成了低通濾波網(wǎng)絡，其傳遞函數(shù)為[9]：

由于高精度的采集系統(tǒng)對前端模擬電路的噪聲非常敏感，因此需要盡可能地降低噪聲。 除了選用極低噪聲的放大器之外，放大器周圍的電阻取值在保證環(huán)路穩(wěn)定的前提下需要盡可能小，以減少電阻熱噪聲，此外，在保證信號能夠正常通過的前提下，可盡量減小模擬帶寬，以進一步減小噪聲。模擬帶寬主要通過調(diào)整放大器反饋電阻與RC 濾波網(wǎng)絡來實現(xiàn)。

2.2 DAC 輸出電路

DAC 選型為LTC2666-12，精度為12 bit，通過Serial Peripheral Interface(SPI)接口進行配置，支持8 通道獨立配置、獨立輸出。 DAC 輸出電路如圖4 所示(僅畫出了一個輸出通道)，其中ADA4004-4 為一款4 通道運算放大器， 可提高模擬電平的驅(qū)動能力，R19的設置可進一步減小噪聲的引入。DAC 輸出電路的設計也是對比測試的結(jié)果，具體可見4.1.2 小節(jié)。

圖4 DAC 輸出電路

2.3 時鐘模塊

ADC 自身的信噪比主要被三個因素制約：量化噪聲、熱噪聲、時鐘抖動。 對于流水線ADC，量化噪聲通?？珊雎裕粺嵩肼曋饕诘皖l時限制信噪比，而當頻率升高時，時鐘抖動就成了限制ADC 信噪比的主要因素。 因此對于高速高精度的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來說，時鐘的質(zhì)量尤為重要，低抖動的時鐘信號才能保證ADC 的分辨率。 采樣時鐘抖動對ADC 信噪比(Signal-to-Noise Ratio，SNR)的影響可用如下關系表示[10]：

其中，總的時鐘抖動(TJitter)包含兩部分：內(nèi)部孔徑抖動(TAperture_ADC)和外部時鐘抖動(TJitter，Ext_Clock_Input)。 總的時鐘抖動可用下式計算：

設計所選ADC 的內(nèi)部孔徑抖動約為120 fs，在信號頻率為10 MHz 時信噪比典型值為70.8 dB，根據(jù)式(8)、(9)推算，外部時鐘的抖動至少應小于4.6 ps。由于ADC 前端還包含模擬調(diào)理電路，會額外引入一部分噪聲，為保證信噪比，需使用較高質(zhì)量的時鐘源和抖動清除器。 設計選用了支持JESD204B、具有雙環(huán)路Phase Locked Loop(PLL)的超低抖動合成器和抖動清除器——LMK04821，在12 kHz ～20 MHz范圍內(nèi)，抖動的均方根值可低至88 fs。LMK04821 包含14 路可配置的差分時鐘輸出，2 片ADC 所需的采樣時鐘(500 MHz)、參考時鐘(7.812 5 MHz)，F(xiàn)PGA所需的數(shù)據(jù)傳輸時鐘(250 MHz)、系統(tǒng)時鐘(250 MHz)、參考時鐘(7.812 5 MHz)共8 路時鐘均由LMK04821提供。

3 數(shù)據(jù)讀出母板設計

母板的主要功能是接收來自ADC 子板采集的數(shù)據(jù)， 并將其通過PCIe 總線傳輸?shù)缴衔粰C。 FPGA是母板的核心器件， 也是整個采集卡的控制單元。FPGA 內(nèi)部的邏輯框圖如圖5 所示。

其中，Xilinx DMA/Bridge Subsystem for PCI Express(XDMA)是Xilinx 公司的一款IP 核[11]，它實現(xiàn)了高性能、可配置的離散聚合式存儲器直接訪問(Direct Memory Access，DMA)，并且具有PCIe 協(xié)議中物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和事務層的邏輯功能。 此IP 提供了可選的AXI4 Memory Mapped 或者AXI4-Stream 兩種用戶接口，實現(xiàn)了與用戶邏輯的直接連接，每種接口均可提供PCIe 地址空間和Advanced eXtensible Interface(AXI)地址空間之間的高性能數(shù)據(jù)傳輸。 此外，XDMA 還提供了配置管理接口、中斷控制信號、時鐘信號(AXI_CLK)等可供用戶配置使用[12]。 AXI4-Lite 是AXI4 的簡化版，是一種簡單的、低吞吐量的內(nèi)存映射總線，主要用于內(nèi)核和外設寄存器之間的通信。 AXI4-Stream 總線不包含地址項，因此可以允許無限制的數(shù)據(jù)突發(fā)傳輸規(guī)模，主要用于高速數(shù)據(jù)流傳輸。 XDMA 的運用使得用戶可以通過上位機軟件進行在線參數(shù)配置與數(shù)據(jù)上傳控制。

數(shù)據(jù)接收模塊用到了Xilinx 公司的IP 核——JESD204，用于接收ADC 通過JESD204B 發(fā)送的采集數(shù)據(jù)， 此IP 包含JESD204B 協(xié)議中的物理層和鏈路層，物理層用于以比特速率接收經(jīng)過編碼的數(shù)據(jù)，鏈路層負責處理鏈路的同步、建立和保持，并對數(shù)據(jù)進行8B/10B 譯碼[13]。 緊隨其后的解碼模塊負責對數(shù)據(jù)進行順序調(diào)整、補碼/原碼轉(zhuǎn)換等處理，使得處理后的數(shù)據(jù)便于重建為原始波形。 觸發(fā)判選模塊用于對采集到的信號進行“篩選”，篩選依據(jù)為用戶配置的通道使能、觸發(fā)閾值、采集長度等參數(shù)，最終將各個使能后的采集通道超過一定閾值的、一定長度的信號“篩選”出來，送入數(shù)據(jù)打包模塊，按照用戶自定義的格式進行打包處理，數(shù)據(jù)包中可包含用戶感興趣的數(shù)據(jù)類型、通道號、時間、數(shù)據(jù)包長度等信息。 系統(tǒng)配置模塊主要負責通過SPI 接口對各個芯片進行參數(shù)的配置，也可對JESD204B 鏈路進行重置。 ADC 間的同步通過FPGA 分發(fā)相位對齊的ADC_SYNC 信號實現(xiàn)。

圖5 FPGA 邏輯框圖

4 采集卡測試

采集卡的測試主要包括兩大部分：偏置調(diào)節(jié)電路測試與采集卡性能測試。

4.1 偏置調(diào)節(jié)電路測試

偏置調(diào)節(jié)電路包括差分放大器反相輸入端電路與DAC 輸出電路。 傳統(tǒng)的單端轉(zhuǎn)差分電路，反相輸入端的參考平面通常為地平面，為了實現(xiàn)對信號直流偏置的調(diào)節(jié)，本設計用DAC 輸出的模擬電平來代替地平面。 然而，DAC 的使用會引入額外的噪聲并且會增大信號的諧波失真。 為了盡可能減小DAC 對采集卡性能的影響，通過一系列對比測試來確定電路結(jié)構(gòu)。

4.1.1 差分放大器反相輸入端電路測試

在差分放大器反相輸入端、DAC 輸出的模擬電平接入處設置了一個下拉電阻(見圖3 中的R15)，對比測試了此下拉電阻取不同阻值時采集信號的諧波失真。 測試方法為：用信號發(fā)生器產(chǎn)生一個頻率為8 MHz、幅度接近ADC 滿量程(約-0.5 dB)的正弦波輸入采集卡進行采集，DAC 輸出模擬電平為0 V，用Fast Fourier Transform(FFT)做出采集信號的頻譜圖，并計算其諧波失真[14]。在同等條件下，僅改變下拉電阻R15 的阻值，測得相應的諧波失真參數(shù)，見表1。

表1 下拉電阻對諧波失真的影響

從對比結(jié)果來看，下拉電阻的阻值越小，信號的諧波失真性能越好。 因此，在電路結(jié)構(gòu)中保留了下拉電阻R15 的設置。 與此同時，下拉電阻的存在對DAC 的驅(qū)動能力是一個考驗。 經(jīng)過測試，當R15為22 Ω 時，DAC 能 夠 為 放 大 器 提 供±479 mV 的 模擬電平，能夠滿足使用需求。

4.1.2 DAC 輸出電路測試

在圖4 的DAC 輸出電路中，模擬電平輸出的方式可以有三種：(1)DAC 直接輸出(R19 取0 Ω、無電壓跟隨器)；(2)DAC 經(jīng)由電壓跟隨器輸出(無R19)；(3)DAC 與電壓跟隨器“同時輸出”(R19 取0 Ω)。 對比測試了三種輸出方式下采集信號的信噪比。 測試方法與4.1.1 小節(jié)類似，在同等條件下，僅改變模擬電平的輸出方式，用FFT 測得相應的信噪比參數(shù)，如表2 所示。

從對比結(jié)果來看，當模擬電平采用方式(3)輸出時，有更好的信噪比。

表2 模擬電平輸出方式對信噪比的影響

4.2 采集卡性能測試

采集卡性能測試主要包含：模擬帶寬測試、噪聲測試、ADC 動態(tài)性能測試。 測試時采集卡模擬調(diào)理電路的增益設置為1，直流偏置為0 V。

4.2.1 模擬帶寬測試

帶寬描述的是模擬前端可精確測量的頻率范圍。 帶寬定義為正弦波輸入信號的幅度衰減到原幅度的0.707 時的頻率，也稱為-3 dB 帶寬。 采集卡模擬前端帶寬的測試方法為：用信號發(fā)生器(R&S SMA100A)產(chǎn)生一個幅度為Vi(不超過ADC 滿量程1.9 Vpp)的正弦波輸入到采集卡，逐漸增加輸入信號的頻率，同時記錄每一個頻點下ADC 采集到的信號的幅度Vo，Vo/Vi即為模擬前端電路的增益，將其轉(zhuǎn)換為對數(shù)，并取初始頻點的增益為0 dB，當增益衰減到-3 dB 時輸入信號的頻率即為采集卡的模擬帶寬[15]。 作出增益與輸入信號頻率的關系曲線如圖6 所示。

圖6 增益-頻率變化曲線

模擬帶寬的實測結(jié)果為136 MHz，已能滿足眾多直流耦合的應用場景。

4.2.2 噪聲測試

由于采集卡所測信號均為電壓信號，因此所測噪聲為輸入端接地時的電壓噪聲。 由于采集卡信號輸入端有對地的端接電阻R3(見圖3)，因此無需額外做接地措施。 測試方法為：將采集卡輸入端懸空， 用ADC 采集此時的波形， 對所有采樣點的碼值取其標準差，即為采集卡的噪聲。 具體計算公式如式(10)、(11)所示：

其中，Vi為每一個采樣點的碼值，為所有碼值的平均值，n為采樣點個數(shù)，Vδ為所有采樣點的標準差。ADC 能識別的最小刻度表示為最低有效位(Least Significant Bit，LSB)，其碼值的單位通常用LSB 表示。一共測量了122 880 個采樣點，計算得到其標準差為2.172 LSB。 由于14 位ADC 總 共包含16 384 LSB，滿量程為1.9 Vpp， 因此2.172 LSB 對應為0.252 mV。因此，采集卡的噪聲為0.252 mV。

4.2.3 ADC 動態(tài)性能測試

ADC 的動態(tài)性能參數(shù)主要包含：無偽峰動態(tài)范圍(Spurious Free Dynamic Range，SFDR)、信噪比(Signalto-Noise Ratio，SNR)、總諧波失真(Total Harmonic Distortion，THD)、信納比(Signal-to-Noise and Distortion Ratio，SINAD)、有效位(Effective Number of Bits，ENOB)[16]。目前通常采用FFT 頻譜分析法來測試ADC 的動態(tài)性能，它可以將ADC 采樣結(jié)果中各個頻率成分的幅度計算出來，然后依據(jù)ADC 各個動態(tài)性能參數(shù)的定義進行計算。

具體測試方法為：用信號發(fā)生器(R&S SMA100A)產(chǎn)生一個幅度接近ADC 滿量程的正弦波(約-1 dB)，經(jīng)過對應頻率的帶通濾波器后輸入到采集卡，將ADC 采集到的數(shù)據(jù)用FFT 進行分析，得到各個動態(tài)性能參數(shù)。 選取了采集卡模擬帶寬內(nèi)的9 個頻點，選取動態(tài)性能參數(shù)中的4 個進行了測試，測試結(jié)果如表3 所示。 其中10 MHz 的時域波形如圖7 所示，頻譜圖如圖8 所示。

所測得的ADC 有效位接近11 bit，略低于手冊的參考值，考慮到性能測試時包含了前端模擬調(diào)理電路，因此測試結(jié)果符合預期。

表3 ADC 動態(tài)性能參數(shù)測試結(jié)果

圖7 ADC 采集信號典型時域波形(10 MHz)

圖8 ADC 采集信號典型頻譜圖(10 MHz)

5 結(jié)論

本文設計了一種8 通道14 位500 MS/s 的數(shù)據(jù)采集卡，使用時可調(diào)整模擬調(diào)理電路以適應不同信號特征，在其模擬調(diào)理電路增益設置為1、直流偏置為0 V 時進行測試，ADC 動態(tài)性能良好，有效位約為11 bit，接近芯片指標。 對于經(jīng)過測試驗證的ADC，后續(xù)設計可在本文所提框架不變的前提下，將其直接放在母板上，子板上僅放置模擬調(diào)理電路，根據(jù)不同的信號特征準備相應的子板即可，不需要頻繁更換電阻，使用起來更方便。 本文所設計的采集卡為標準的PXIe 模塊，通過PXIe 機箱擴展及同步授時，可進一步構(gòu)建規(guī)模更大的多通道高精度的信號采集儀器，在實驗物理、信號采集、通信、電子信息等領域有著廣泛的應用。