CN102437852A - 一种利用低速ADC实现2.5GSa/s数据采集电路及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用低速ADC实现2.5GSa/s数据采集电路及方法，包括ADC电路设计和采样时钟电路，所述ADC电路，采用ADC083000作为系统的AD转换芯片，所述ADC电路采用时间交替采样技术来提高系统的实时采样率，将N路AD转换器在电路中对同一个模拟信号进行采样，每个转换器的采样时钟f均相同，且保持恒定的相位差，然后将N路数据输出按照采样时钟相位的先后顺序重新排列得到的数据，等效于1个AD转换器以采样时钟的N倍采样率进行数据采集。与现有低速ADC的使用方法相比较，采用并行交替采样技术，攻克了低速ADC进行高速采样的技术难关，极大的节约了成本，更好的适应电子技术的发展。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用低速ADC实现2.5GSa/s数据采集电路及方法。
背景技术
目前随着数字化技术的发展，信号的还原的真实性越来越受到关注，示波器的采样率的要求也越来越高，但受到国外高速芯片出口的限制及成本的需要，通用示波器都在寻找另外一个出路，即保持低成本，又实现高速采样。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明目的在于提供一种利用时间交替采样技术，通过FPGA+ADC实现数据的采集与存储工作，利用低速ADC实现2.5GSa/s数据采集电路及方法。
为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：
一种利用低速ADC实现2.5GSa/s数据采集电路及方法，包括ADC电路设计和采样时钟电路，所述ADC电路，采用ADC083000作为系统的AD转换芯片，所述ADC电路采用时间交替采样技术来提高系统的实时采样率，将N路AD转换器在电路中对同一个模拟信号进行采样，每个转换器的采样时钟f均相同，且保持恒定的相位差，然后将N路数据输出按照采样时钟相位的先后顺序重新排列得到的数据，等效于1个AD转换器以采样时钟的N倍采样率进行数据采集；所述高速采样时钟电路包括20MHz有源晶振、FPGA内部锁相环、程控外部锁相环和控制模块时钟、ADC、LVDS接收机、数据储存模拟时钟，所述20MHz有源晶振输出时钟通过FPGA的专用时钟输入脚进入FPGA内部锁相环，所述FPGA内部锁相环将生成后的参考时钟信号通过信号输出端与程控外部锁相环连通，所述控制模块对FPSA内部锁相环的信号进行采集，并输送到程控外部锁相环，所述程控外部锁相环时钟芯片的时钟信号输出端与ADC时钟信号采集端连通，所述ADC信号输出端通过LVDS接收机与数据储存模拟时钟连通；
作为优选方案，所述程控外部锁相环选用IDT公司的MPC92432芯片，引脚是LVCMOS电平。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：采用并行交替采样技术，攻克了低速ADC进行高速采样的技术难关，极大的节约了成本，增大了低速ADC的使用范围，更好的适应社会的发展。
附图说明
图1为本发明实施例的串行控制时序图；
图2为本发明实施例的SPI控制模块图；
图3为本发明实施例的ADC串行控制时序仿真图；
图4为本发明实施例的两路AD转换器并行交替采样时序图；
图5为本发明实施例的ADC时钟设计框图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细的说明。
实施例
作为本发明的一种实施方式，如图1至图5所示，本发明通过采用FPGA+ADC实现数据的采集与存储工作，主要由ADC电路、采样时钟电路和并行交替采样技术三个重点：
1.ADC电路
本发明的ADC电路的数字系统最大采样率为2.5GSa/s，垂直分辨率为8bit，带宽(-3dB)为200MHz。根据以上这些指标要求，选择国家半导体公司的ADC083000作为系统的AD转换芯片，它是一款低功耗、高性能的CMOS模数转换器。
ADC083000有两种控制模式，可以选择工作在任何一种控制模式下。标准控制模式较为简单，用户只需要控制几个引脚就可以进行配置；而扩展控制模式则需通过一个串口控制ADC六个内部寄存器的值来配置ADC。这两种控制模式可以通过第16引脚(FSR/ECE：扩展控制使能)来选择。本系统采用扩展控制模式配置ADC的工作状态，相对标准控制模式，SPI(同步串行接口)控制更方便、灵活，控制选项也更多。通过SPI控制可以选择单数据率时钟或者双数据率时钟，调节双数据率时钟的相位，调节采样时钟相位，调节满刻度范围等。
图1是对ADC某一寄存器的SPI串行控制时序图。SPI串行口由串行时钟输入口SCLK，串行片选接口/SCS和串行数据输入口SDATA构成。通过串行接口访问寄存器的时候，/SCS端必须保持低电平，同时ADC在SCLK的上升沿依次读入SDATA的32位数据。这组数据包括头码，寄存器地址码和寄存器数值。头码为固定的000 0000 00001(11个0和1个1)，接下去的4位为寄存器的地址码，用来写入寄存器地址，最后的16位为写入这些地址上寄存器的数据，不同寄存器数据对应不同功能。
SPI三线串行接口和掉电模式等端口的电平都是1.9V的逻辑电平，不能直接与FPGA的LVTTL电平接口直接相连，FPGA送出的控制信号必须在外部通过SN74LVC541A电平转换芯片进行电平转换后，控制ADC的相应管脚。
ADC的SPI控制模块如图2所示。由图分析可知，模块的控制字输入adc_data[19..0]是由4位寄存器地址和16位控制数据共同组成的，clk1m是SPI控制的发送时钟，load信号是控制模块的发送使能信号。ADC控制模块的输入端口adc_data[19..0]设置完成以后，将使能发送信号load置‘1’；控制模块的输出信号SDATA，LE，SCLK将会按照ADC芯片要求的串行控制时序发送相应的数据和同步时钟。
图3是ADC串行控制时序仿真图，图中控制字adc_data[19..0]的端口数据0x192FF表示往ADC的1号地址寄存器写入0x92FF。ADC083000的控制响应表现为：使能占空比稳定电路；选择单端输入作为数字时钟复位信号；ADC采样数据输出和同步时钟选择0度相位关系；选择1:4数据输出模式；数据和同步时钟输出的差分电压幅度为680mVpp。
2、并行交替采样技术
实时采样是按照采样时钟的时间间隔采样一个波形，当波形重建时，两个相邻波形点的时间间隔等于采样时钟周期。实时采样率是由ADC的AD转换速率决定的。高采样率的ADC虽然可以捕获更高频的信号，但是高采样率意味着更高的成本，而且高采样率的ADC芯片在市场上很难买到，这些都会极大地限制系统的开发。本发明最高实时采样率要求达到2.5GSa/s，我们采用时间交替采样技术来提高系统的实时采样率。时间交替采样技术是一种ADC并行采样技术，它将N路AD转换器在电路中对同一个模拟信号进行采样，每个转换器的采样时钟f均相同，且保持恒定的相位差，然后将N路数据输出按照采样时钟相位的先后顺序重新排列得到的数据，等效于1个AD转换器以采样时钟的N倍采样率进行数据采集，通过这种方式可以利用低采样率的AD转换器实现高速数据采集。
图4是ADC083000是双通道ADC并行交替采样的例子，每个通道模数转换器的采样时钟都是CLK，但两者的相位相差180度，即双通道ADC分别在CLK的上升沿和下降沿进行采样。每个通道模数转换器的实时采样率都为1.25GSa/s，将采集到的波形数据按照采样的时间先后顺序重新排列起来，整个系统相当于以2倍采样时钟的采样率进行采样，达到2.5GSa/s的采样率
3、采样时钟电路
高速实时采样率意味着ADC需要稳定的高速采样时钟信号进行采样。采样时钟的分辨率和相位抖动是高速采集系统非常重要的指标，采样时钟的相位抖动将会导致非均匀采样的出现，而时钟分辨率太低将无法满足采集系统的要求。因此，获得高质量的采样时钟是高速数据采集系统的关键点和难点。
高速采样时钟设计中，时钟抖动是时钟设计的关键。由采样时钟抖动引起的采样瞬间时间沿的不确定性，会造成ADC在采样点产生电压误差，本发明的采样时钟频率高达1.25GHz，而且在采样时钟的上升沿和下降沿均进行ADC采样。为了避免时钟抖动造成ADC的动态范围下降，因此系统需要一个具有超低相位噪声的采样时钟，即需要一个低抖动的采样时钟。在最高2.5GSa/S，200M带宽，7Bit有效位数要求下，高速ADC采样时钟的抖动应该在10ps的范围之内。因而我们选择的锁相环时钟芯片，通过FPGA的控制产生ADC采样所需要的高速采样时钟。
ADC采样时钟设计框图如图5所示，整个数字系统的时钟主要由FPGA内部锁相环与程控外部锁相环共同产生的，ADC采样时钟的生成主要经过了3部分，具体实现方法是：首先将晶体振荡器的20MHz输出时钟通过FPGA内部锁相环的专用时钟输入脚提供给FPGA内部锁相环，作为FPGA的基本时钟；再利用FPGA内部锁相环的锁相和分频器产生内部各逻辑模块需要的相应时钟；然后将FPGA内部锁相环生成的外部锁相环参考时钟提供给程控外部锁相环，利用高精度的程控外部锁相环时钟芯片产生ADC的采样时钟信号。
我们选用IDT公司的MPC92432芯片作为外部锁相环，它可以输出21.25～1360MHz范围内的时钟。本发明是通过ADC双通道并行交替采样实现最高2.5GSa/s的实时采样率，所以采样时钟最高需要达到1.25GHz，设计中我们通过FPGA内部锁相环产生16.0255MHz的时钟，然后送入程控外部锁相环，控制锁相环78倍频产生1.25G的采样时钟。为了更准确的提供系统其他时基档位所需要的时钟，我们又通过FPGA内部锁相环产生16MHz时钟送入程控外部锁相环，再控制锁相环的倍频比实现所需的其他800MHz～1.6GHz的采样时钟。
MPC92432时钟芯片的控制引脚是LVCMOS电平，可以不经过电平转换直接与FPGA管脚相连。它的时钟输出是差分PECL电平，属于ADC采样时钟的电平范围。数据采集系统的采样时钟电路不需要进行电平转换，可以避免电平转换可能带入的信号干扰。MPC92432的时钟抖动小于等于10ps，满足整个系统高速数据采集的要求。
Claims (2)
1.一种利用低速ADC实现2.5GSa/s数据采集电路及方法，包括ADC电路设计和采样时钟电路，特征在于：所述ADC电路采用ADC083000作为系统的AD转换芯片，所述ADC电路采用时间交替采样技术来提高系统的实时采样率，将N路AD转换器在电路中对同一个模拟信号进行采样，每个转换器的采样时钟f均相同，且保持恒定的相位差，然后将N路数据输出按照采样时钟相位的先后顺序重新排列得到的数据，等效于1个AD转换器以采样时钟的N倍采样率进行数据采集；
所述高速采样时钟电路包括20MHz有源晶振、FPGA内部锁相环、程控外部锁相环和控制模块时钟、ADC、LVDS接收机、数据储存模拟时钟，所述20MHz有源晶振输出时钟通过FPGA的专用时钟输入脚进入FPGA内部锁相环，所述FPGA内部锁相环将生成后的参考时钟信号通过信号输出端与程控外部锁相环连通，所述控制模块对FPSA内部锁相环的信号进行采集，并输送到程控外部锁相环，所述程控外部锁相环时钟芯片的时钟信号输出端与ADC时钟信号采集端连通，所述ADC信号输出端通过LVDS接收机与数据储存模拟时钟连通。
2.根据权利要求1所述的利用低速ADC实现2.5GSa/s数据采集电路及方法，其特征在于：所述程控外部锁相环选用IDT公司的MPC92432芯片，引脚是LVCMOS电平。
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