摘 要： 數(shù)據(jù)采樣精度和采樣速率是A/D轉(zhuǎn)換的重要技術(shù)指標(biāo)。目前受半導(dǎo)體工藝技術(shù)的限制，高采樣精度的A/D芯片一般具有較低的采樣速率。本文提出一種時間交替ADC采樣技術(shù)，通過在時域上多通道并行交替采樣，使采樣速率達到原來單片ADC的多倍。最后進行多路交替采樣試驗，結(jié)果驗證了該方法的正確性。
關(guān)鍵詞： 時間交替采樣；模數(shù)轉(zhuǎn)換；并行處理
0 引言
高速數(shù)據(jù)采集廣泛應(yīng)用于雷達、電子對抗、航空航天、導(dǎo)彈測控、儀器儀表、圖像處理、高性能控制器等領(lǐng)域，是現(xiàn)代電子設(shè)備中的技術(shù)關(guān)鍵。隨著計算機、通信和微電子技術(shù)的高速發(fā)展，人們不斷地對數(shù)據(jù)采集的速度和精度提出更高的要求，然而受芯片制造工藝的限制，超高速ADC采樣芯片的特性難以滿足高性能設(shè)備的需求[1]。采用多片高速ADC芯片并行交替采樣，實現(xiàn)超高速和高精度采樣，是解決此類問題最為有效的方法。本文利用N路高速ADC芯片對一路模擬信號并行交替采樣，然后對各路采樣得到的數(shù)據(jù)依次拼接，使得整個系統(tǒng)采樣頻率為單塊A/D芯片的N倍，在保持高精度的同時成倍地提高系統(tǒng)的采樣率，達到超高速的采樣目的。
1 高速并行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
本設(shè)計首先將一路10 MHz、10 Vpp的高頻模擬信號分別接入兩路12位A/D芯片的輸入接口，然后通過FPGA對兩路A/D芯片分別以50 MHz的速率并行交替采樣10 ms，將轉(zhuǎn)換的采樣數(shù)據(jù)存儲到SDRAM中，存儲的數(shù)據(jù)可以通過串行接口送到上位機處理，整個系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。
10 MHz正弦波信號通過信號發(fā)生器產(chǎn)生，該信號的輸出頻率及幅值大小可以根據(jù)實際需要進行調(diào)整。模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片采用ADI的AD9226芯片，AD9226是一款單路、12位、65 MS/s模數(shù)轉(zhuǎn)換器，采用單電源供電，內(nèi)置一個片內(nèi)高性能采樣保持放大器和基準(zhǔn)電壓源。它采用多級差分流水線架構(gòu)，數(shù)據(jù)速率達65 MS/s，在整個工作溫度范圍內(nèi)保證無失碼[2]。FPGA芯片采用Altera公司所生產(chǎn)的Cyclone IV系列芯片EP4E6F17C8，其具有低成本、低功耗的FPGA系統(tǒng)構(gòu)架；內(nèi)部具有大量嵌入式存儲器和邏輯單元，可以通過NIOS軟件構(gòu)成軟核處理器。本設(shè)計外部存儲器選擇SDRAM，其型號為HY57V2562GTR，容量為256 Mit（16 M×16 bit），具有16 bit總線。本設(shè)計通過NIOS可以生成EP4E6F17C8與外部存儲器的接口，包括有SDR、DDR、DDR2等。
一路模擬信號同時輸入至兩路A/D轉(zhuǎn)換芯片輸入端，為了使信號相位相同，可以通過PCB的等長走線來實現(xiàn)。由于本設(shè)計A/D轉(zhuǎn)換要求輸入電壓在1~3 V之間，所以需要將信號發(fā)生器的±5 V信號進行調(diào)理。AD8065放大器為電壓反饋型放大器，提供FET輸入，工作噪聲極低（7.0 nV/Hz和0.6 fA/Hz），輸入阻抗較高，帶寬為145 MHz，適合各種應(yīng)用[3]。VREF為AD9226輸出+2.5 V參考電壓，通過NE5532二級運放構(gòu)成增益為-1的電壓跟隨，最終輸出-2.5 V的參考電壓，參考電壓通過AD8065進行差分運算。增益調(diào)理電路如圖2所示，通過運算放大器AD8065將交流信號調(diào)理至1~3 V送至模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的輸入端。
模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片選擇AD9226，本設(shè)計采用SSOP封裝形式，AD9226的D0~D11引腳為模數(shù)轉(zhuǎn)換的數(shù)字輸出量，當(dāng)時鐘信號送至AD9226的1腳時，將觸發(fā)一次模數(shù)轉(zhuǎn)換，在模數(shù)轉(zhuǎn)換中D0~D10為數(shù)據(jù)位，而D11為符號位，OTR為模數(shù)轉(zhuǎn)換的溢出標(biāo)志。由于A/D轉(zhuǎn)換的電路比較簡單，這里就不列舉，詳細內(nèi)容請參閱其數(shù)據(jù)手冊。
整個系統(tǒng)采用FPGA控制，與相對順序操作的單片機或者ARM控制相比，其具有無法比擬的優(yōu)勢。FPGA采用的是并行處理的可編程邏輯器件，通過FPGA實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速采樣、讀取、存儲及處理等操作。EP4CE6F17C8的外部時鐘源為50 MHz，可以通過PLL進行倍頻。由于FPGA內(nèi)部沒有程序存儲單元，所以需要外部擴展，本設(shè)計采用M25P16（或EPCS16），其實質(zhì)是一個容量為16 Mbit的串行Flash芯片，這對于存儲FPGA中的程序綽綽有余，同時還可以存儲軟核NIOS II的應(yīng)用程序。
在本設(shè)計中，F(xiàn)PGA與A/D轉(zhuǎn)換模塊接口、存儲器模塊接口以及PLL時鐘信號都可以通過開發(fā)軟件Quartus在SoPC（System on a Programmable Chip）中建立。SoPC用可編程邏輯技術(shù)把整個系統(tǒng)放到一塊硅片上，用于嵌入式系統(tǒng)的研究和電子信息處理，是一種特殊的嵌入式系統(tǒng)。它是片上系統(tǒng)（SoC），即由單個芯片完成整個系統(tǒng)的主要邏輯功能，但它又不是簡單的SoC，它具有靈活的設(shè)計方式，可裁減、可擴充、可升級，并具備軟硬件在系統(tǒng)可編程的功能。通過Quartus軟件在SoPC上建立的軟核如圖3所示，PLL為鎖相環(huán)，輸出C0~C3四路時鐘信號，C0作為軟核kernel的時鐘源。由于SDRAM要求時鐘頻率為100 MHz，而FPGA外部時鐘信號為50 MHz，所以需要對C1進行2倍頻。C2和C3為兩路A/D采樣的時鐘信號，由于相位相差180度，可以通過時鐘相位偏移設(shè)置，本文在C3的輸出信號線上加入一個非門，來實現(xiàn)兩路時鐘信號的180度相位偏轉(zhuǎn)，用邏輯分析儀采集的兩路時鐘信號相位波形如圖4所示。AD1_DB[11..0]和AD2_DB[11..0]將外部兩路A/D采樣轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)輸入FPGA。
兩路A/D采樣精度為12 bit，同時以50 MHz的速率交替采樣，則數(shù)據(jù)量將達到1.2 Gb/s，這個數(shù)據(jù)量是相當(dāng)大的，目前計算機普通數(shù)據(jù)傳輸速率遠達不到此要求。所以本設(shè)計以微秒為單位，只采集有限個點的數(shù)據(jù)，將采集的數(shù)據(jù)暫存入SDRAM中。兩路A/D轉(zhuǎn)換有嚴格的時序關(guān)系，由圖3可知AD2的采樣時鐘信號比AD1的延遲180度，為了保持信號嚴格時序，系統(tǒng)在讀取AD1當(dāng)前采樣數(shù)據(jù)的同時，讀取前一次AD2的采樣數(shù)據(jù)，而數(shù)據(jù)存儲格式為AD1_DB[11..0]+AD2_DB[11..0]共計24位，低位存AD1的數(shù)據(jù)，高位存AD2的數(shù)據(jù)（由于各通道采樣時間間隔為20 ns，而相位相差180度，所以在數(shù)據(jù)采集過程中沒有包含時間量）。等到采樣結(jié)束后，將采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為字符串，通過串行接口送至上位機進行分析處理。整個軟件通過NIOS調(diào)用Quartus軟核，其中A/D采樣及SDRAM的讀寫比較簡單，這里就不做詳細介紹，而串行接口的讀寫可以參考相應(yīng)的例程資料。
2 實驗數(shù)據(jù)分析及結(jié)論
為了驗證實驗的有效性，通過信號發(fā)生器在系統(tǒng)的輸入端輸入一個10 Vpp、10 MHz的正弦信號，系統(tǒng)對該信號連續(xù)采樣1 000組數(shù)據(jù)存入SDRAM，然后將數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送至上位機。得到的兩路數(shù)據(jù)最終以Excel數(shù)據(jù)格式存儲。隨機提取連續(xù)的100組采樣數(shù)據(jù)，通過MATLAB對數(shù)據(jù)進行處理，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成連續(xù)的點。各通道采樣點的連線與整合后的采樣點連線如圖5所示，MATLAB數(shù)據(jù)處理程序如下：
x1=caiyang1（：，1）；
y1=caiyang1（：，2）/2048*5；
subplot（3，1，1）；
title（′一通道采樣點連線′）；
line（x1，y1，′Marker′，′+′）；
grid on；
x2=caiyang2（：，1）；
y2=caiyang2（：，2）/2048*5；
subplot（3，1，2）；
title（′二通道采樣點連線′）；
line（x2，y2，′Marker′，′*′）
grid on；
x3=honghe（：，1）；
y3=honghe（：，2）/2048*5；
subplot（3，1，3）
title（′整合后采樣點連線′）；
line（x3，y3，′Marker′，′.′）
grid on；
通過圖5可知，整合后的交替高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣精度有了大幅提高。所以，采用時間交替技術(shù)的并行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，能在保證采樣精度的情況下最大限度地提高采樣速度。在超高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)建上提出了一種新的解決方法，使得超高速數(shù)據(jù)采集成為可能，對超高速儀器儀表的研究發(fā)展具有重大的借鑒意義。
參考文獻
[1] 李玉生．超高速并行采樣模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換的研究[D]．合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2007.
[2] ANALOG DEVICE. AD9226 DATA SHEET（Revision .0）[Z]. 2000.
[3] ANALOG DEVICE. AD8065/AD8066數(shù)據(jù)手冊（Revision.J）[Z]. 2010.