采用ADC+時鐘電路+FPGA+DSP實現高分辨率的數據采集系統設計

數據采集系統是數字存儲示波器的核心部分，在示波器采集控制電路的控制下，數據采集系統將待測的模擬信號量化后進行緩存，供示波器軟件系統進行數據的處理、運算、顯示。隨著計算機技術的不斷發展，高速ADC的性能不斷提高，功能強大的DSP信號處理的實時性越來越強，可編程的邏輯器件的性能不斷提升，為示波器數據采集系統的實現提供了一個可靠而且實用的數字平臺。相應的，數據采集系統的采樣速率、存儲深度、波形捕獲能力、鑒別能力等指標也在不斷提高。國際上，示波器行業像安捷倫、泰克等公司在數字存儲示波器市場上占據了主導地位，均有實時采樣率達到幾十Gsps的示波器面市，但是由于受到器件和工藝的限制，國內實現真正的高速高分辨率的數據采集系統還具有比較大的困難。

本文采用ADC+高頻時鐘電路+FPGA+DSP的結構模式，設計了一種實時采樣率為2 Gsps的數字存儲示波器數據采集系統，為國內高速高分辨率的數據采集系統的研制提供了一個參考方案。

1 關鍵器件選擇

DSO數據采集系統的主要技術指標：a)雙輸入通道同時工作，每通道最高實時采樣率達到2 Gsps；b)垂直分辨率8 bit；c)存儲深度：8 MB／CH。整個系統的關鍵器件包括ADC、高頻時鐘芯片、FPGA、DSP、SRAM。通過對目標系統主要技術指標的分析，結合數字存儲示波器的應用特性，選擇了以下一系列器件。

數據采集系統要求達到的最高實時采樣率為2 Gsps，同時考慮目標系統所要求的垂直分辨率、數據輸出格式，另外兼顧示波器的模擬帶寬以及器件的購買渠道和性價比，選擇了Atmel公司的AT84AD001。AT84AD001是雙通道ADC，每一通道具有1 Gsps的實時采樣率，在交錯模式下雙路ADC并行采樣可以達到2 Gsps的實時采樣率。其分辨率為8 bit，數據輸出格式是LVDS(Low Voltage Differential Signaling)，具有1：1數據輸出或1：2數據輸出模式可選，此外，全功率輸人帶寬(-3 dB)為1．5 GHz，差分電壓輸入范圍為500 mVVpp。

此外，重要的一點，AT84AD001還具有FISDA(Fine Sampling Delay Adjustment on Channel Q)功能，通過調整Q通道的采樣時刻，有效地避免了因為采樣時鐘的占空比不等于50％而造成的誤差，保證了采樣精度。

高速高精度的ADC對采樣時鐘的精度要求非常高，時鐘電路一般的設計方法是直接利用FPGA內部的鎖相環倍頻電路產生，但是目標系統要求采樣時鐘頻率達到1 GHz，而目前Altera和Xilinx公司的高端FPGA其I／O輸出頻率最高只能達到800MHz。經過綜合評價，最終選定了美國NS公司的高頻時鐘芯片LMX2531LQ1910E。其輸出低段頻率為917 MHz～1 014 MHz，滿足設計要求，此外，LMX2531具有非常低的抖動和相位噪聲。而且還集成了低噪聲、高性能的低壓差線性穩壓器LDO(Low Drop Out regulator)元件，使電路的抗干擾性和穩定性得到了提高。

FPGA的可編程性以及豐富的內部邏輯資源和外部I／O資源，用來作為數字存儲示波器數據采集與控制系統。特別地，單片AT84AD001量化輸出是16路1 Gbps速率、LVDS格式的差分數據，目標系統雙輸入通道同時工作，這就要求FPGA具有32個能支持1 Gbps的差分I／O，利用高速I／O將數據接收并存儲。由此，選擇了Altera公司的Stratix II EP2S60F1020C4，該FPGA最多可以支持多達84個1 Gbps的差分通道，并且增加了源同步通道的動態相位對準電路，為高速數據的接受提供了有力的支持。

在示波器的高速數據采集系統中，需要對采集到的數據進行大量實時性的運算和處理，綜合考慮市面上的各款處理器，選擇ADI公司的DSP芯片Blackfin561作為嵌入式計算系統。Blackfin561主頻最高可達750 MHz，其內核包含2個16位乘加器MAC(Multiplier and Accumulator)、2個40位累加器ALU、1個40位移位器、100KB的片內L1存儲器以及128 KB的片內L2存儲器SRAM，同時具有動態電源管理功能。此外，Blackfin處理器還包括豐富的外設接口，滿足設計的需要。

本文設計的數字存儲示波器的存儲深度要求達到每通道8 MB，而FPGA芯片Stratix II EP2S60F1020C4的片內存儲單元總共只有552 KB，所以，必須采用片外存儲器作為采集RAM來存儲量化后的波形數據，經過綜合考慮，選用美國賽普拉斯公司的SRAM芯片CY7C1440AV33。

2 系統結構

本文設計的數據采集系統采用ADC+高速時鐘電路+FPGA+SRAM+DSP的結構模式，其系統結構如圖1所示。通道1、通道2均采用一片最高實時采樣率為2 Gsps的AT84AD001作為模數轉換器完成對模擬輸入信號的量化，高頻時鐘電路用來產生整個數據采集系統所需要的工作時鐘，FPGA用來完成采樣數據的接收，并且實現FPGA與DSP的接口電路；SRAM作為數據采集系統的采集RAM，完成將量化后的波形數據緩存；DSP作為數據采集系統的主控機，完成對采集電路的控制和接收采集電路采集的數據，并對采樣數據進行處理、分析和顯示。

3 硬件設計

3．1 目標系統高速時鐘電路的設計

通過LMX2531的標準的三線串行接口(CLK，DATA，LE)對其編程，以控制LMX2531能夠輸出期望的頻率。時鐘輸出頻率大小的計算公式為：

fout=N×(OSCin/R) (1)

其中，N=Ninteger+Nfractional(包括整數和小數兩部分)，Ninteger的值即為Ⅳ分頻器的值，Nfractional的值包括NUM和DEN兩部分的值，R代表R分頻器的值，OSCin為參考時鐘輸入值。R分頻器的值可以由用戶在1，2，4,8，16,32中任選一個，而且參考時鐘輸入OSCin和輸出頻率fout也是用戶自己決定的。根據設計要求，確定各個寄存器的具體取值，將計算好的數據寫入芯片內的11個24位控制寄存器，從而得到ADC需要的1 GHz的時鐘。

3．2 AT84AD001工作模式的設置

AT84AD001的工作時序如圖2所示。I，Q通道ADC都使用I通道輸入模擬信號，I通道工作時鐘頻率為1 GHz，Q通道的工作時鐘與I通道工作時鐘同頻反相，在這種模式下，通過兩個實時采樣率為1 Gsps的ADC按照交替方式并行采樣，將得到的數據按照一定的輸出格式拼合成2 Gsps的數據流。

3．3 FPGA內部邏輯模塊介紹

FPGA內部邏輯模塊主要包括：

1)時基電路模塊：接收AT84AD001的輸出數據同步鎖存時鐘作為FPGA內部的工作時鐘，并且為數據采集系統提供時間基準尺度。

2)數據采集接口、存儲接口模塊：利用

FPGA的串行收發器SERDES(Serializer／Deserializer)和動態相位對準DPA(Dynamic Phase Alignment)電路接收LVDS格式、1 Gbps速率的差分數據流，并且對其降頻，然后根據差分通道和ADC數據位的對應順序以及接收器數據的輸出格式，設計恢復電路，將64位的數據按采樣點的格式恢復為8個采樣點，最后在FPGA與片外存儲器之間建立數據存儲接口，將數據按照一定的速率和格式寫入片外存儲器。

3)采集控制模塊：利用采集狀態機，配合軟件系統完成對整個采集過程進行管理，按照設定的預觸發和后觸發數據量完成成整個采集工程。

4)觸發控制模塊：用來實現信號特征點的捕捉及波形顯示的同步。

5)計算系統接口模塊：完成FPGA和DSP之間的通信。

其中，采集狀態機作為采集控制模塊的核心，負責整個數據采集過程的控制，具有舉足輕重的地位。它是一個用VHDL語言編制的狀態機，其狀態轉換如圖3所示。圖3中狀態轉換所涉及的采集狀態說明如表1所示。

4 數據采集系統監控軟件設計

為了便于測試整個硬件的工作，在DSP中編制了簡單的監控程序，程序流程圖如圖4所示。首先，DSP調用時鐘芯片和ADC的初始化程序，完成對高速時鐘電路和采集電路的初始化，使其工作在目標系統所需要的工作模式下；然后發出采集開始命令，數據采集系統進入采集過程；延遲一段時間以后，查詢采集結束標志；當得知采集過程結束時，便從RAM中讀取波形數據，經過分析處理后送去顯示。

5 調試結果

5．1 實時采樣率的分析

均是10 MHz，150 mvVpp正弦波，在軟件開發環境Visual DSP++中運行數據采集系統監控程序，得到通道1和通道2的采樣數據，利用VDSP中的調試工具分別以通道1和通道2的采樣數據作為數據源，經過通道校準，調整每一通道的模數轉換器所包含的雙通道ADC之間的偏移和模擬信號增益存在的差別。選取任意400個采樣點以折線圖的形式恢復出采樣波形，如圖5所示。

從采到的波形數據提取連續400個采樣點恢復出波形，正好顯示了兩個信號周期，另外恢復出的波形的幅度與信源幅度相符合，可以得知通道1、通道2均實現了2 Gsps的實時采樣率。

5．2 有效位數(ENOB)的分析

有效位數(ENOB)是衡量數據采集系統動態特性的一個最為重要的指標。計算公式為：ENOB=(SINAD－1．16 dB)／6．02 。 SINAD是信號幅度的均方根值與從直流到fs／2的帶寬內所有其他頻譜成分的均方根值的比值(包括諧波但不包括直流成分)。其計算公式為：

通道1、通道2的輸入信號均是10 MHz，330 mVVpp的正弦波，在VDSP中運行數據采集系統監控程序，得到通道1和通道2的采樣數據，從每個通道的采樣數據中各取任意連續1 024個采樣點作為測試數據，利用Matlab編程，計算其有效位數(ENOB)分別是：6．71(通道1)，6．77(通道2)。由以上計算結果得知該數據采集系統具有較高的量化分辨率。

6 結論

通過實驗板硬件調試與軟件仿真，設計了雙通道同時工作，每通道最高實時采樣率為2 Gsps，分辨力為8 bit，存儲深度8 MB／CH的數字示波器數據采集系統，并且驗證了實驗板上的數據傳輸和數據存儲均能滿足2 Gsps數據采集系統的要求。