CN106354063A - 一种高速四通道信号采集板 - Google Patents

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张鹏泉
范玉进
曹晓冬
褚孝鹏
李羚梅
苏晓旭
刘政鹏
云天嵩
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Abstract

本发明涉及及一种高速四通道信号采集板，包括信号控制电路、时钟管理电路、高速ADC1、高速ADC 2、FPGA、NandFalsh存储阵列电路、电源管理电路、USB、PCIe接口电路、外部时钟及内部晶振，信号控制电路完成信号的增益控制以及信号的偏置控制，时钟管理电路完成时钟源的选取及采样时钟频率修改，高速ADC完成模拟信号的数字化转换，FPGA完成数据的处理存储以及传输控制，NandFlash存储阵列完成数据的大容量存储，各个接口完成FPGA与外部设备的数据交换功能，电源管理电路完成给板卡提供各个电压，有益效果是，具有信号的增益控制以及偏置控制功能、采样率的可控功能和多种触发方式，信号同步稳定性高。

Description

一种高速四通道信号采集板
技术领域
本发明涉及一种信号采集板，特别涉及一种高速四通道信号采集板。
背景技术
在现有的信号采集板中，大都采用ADC+FPGA的架构，ADC完成模拟信号的数字化转化，将数字信号传输给FPGA，FPGA负责将数字信号进行处理和传输。但大部分的信号采集板采样率较低，并且不具备ADC前端信号控制的功能，一旦信号的振幅大于ADC接收的范围，就不能再用该ADC采集板进行数据采集；且大都不具备信号偏置的控制，信号采集的触发方式单一，采样率单一，不具备存储功能，使得采集板卡的适用性较低，一般需要定制，成本较高。
发明内容
鉴于现有采集板卡的局限性，本发明提供一种具有信号增益控制、信号偏置控制、采样率控制、信号采集触发方式控制、大容量数据存储功能的一种高速四通道信号采集板，并且经过优化，使得各个通道之间信号同步稳定性提高，具体技术方案是，一种高速四通道信号采集板，包括信号控制电路、时钟管理电路、高速ADC1、高速ADC 2、FPGA、NandFalsh存储阵列电路、电源管理电路、USB、PCIe接口电路、外部时钟及内部晶振，其特征在于：信号控制电路完成信号的增益控制以及信号的偏置控制，时钟管理电路完成时钟源的选取及采样时钟频率修改，高速ADC完成模拟信号的数字化转换，FPGA完成数据的处理存储以及传输控制，NandFlash存储阵列完成数据的大容量存储，各个接口完成FPGA与外部设备的数据交换功能，电源管理电路完成给板卡提供各个电压，电路连接为，信号控制电路中通道1、通道2信号通道控制电路单向连接高速ADC1，高速ADC1单向连接FPGA，通道3、通道4信号通道控制电路单向连接高速ADC2，高速ADC2单向连接FPGA，FPGA单向连接时钟管理电路和单向连接信号控制电路，FPGA双向连接NandFalsh存储阵列电路，FPGA双向连接USB接口电路和PCIe接口电路，电源管理电路给板卡个电路提供各电压，外部触发信号与FPGA单向连接，外部时钟及内部晶振分别单向连接时钟管理电路，FPGA与NandFlash存储阵列之间通过64bit数据信号和相关控制信号连接，实现数据的传输和FLASH的控制功能，其中信号控制电路的增益控制部分采用反相放大电路实现，每级放大电路可实现若干几种信号比例的增益控制，每级放大电路均由FPGA控制，选择合适的放大或衰减倍数，通过不同放大器之间的级联，实现所需的增益控制，信号的偏置控制由一个反相放大器和一个DAC组成，DAC由FPGA控制，输出适当的电压，信号和DAC输出的电压在反相放大器进行相减，实现偏置的控制，FPGA与ADC之间通过4组信号线连接，每组信号线由14对差分线组成， 12对数据信号差分线，1对时钟数据差分线以及1对溢出指示信号差分线，同时FPGA通过SPI接口与两片ADC连接，通过SPI接口读写ADC芯片的内部寄存器，来控制ADC的工作模式，时钟管理由时钟管理芯片实现，外部时钟输入和晶振时钟输入均连接到时钟输入端，由FPGA来控制时钟输入的选择，当选择外部时钟输入时，时钟管理芯片完成时钟的分发，将时钟分为两路传输给2片ADC，当选择内部时钟输入时，由FPGA控制，时钟管理芯片产生所需的时钟，并传输给两片ADC，FPGA与时钟管理芯片之间通过SPI接口连接，完成FPGA对时钟管理的控制。
本发明的有益效果是，具有信号的增益控制以及偏置控制功能、采样率的可控功能和多种触发方式，信号同步稳定性高。
附图说明
图1是本发明的功能框图；
图2是本发明的信号控制电路中增益控制电路图；
图3是本发明的信号控制电路中偏置控制电路图；
图4是本发明的FPGA与ADC连接电路图；
图5是本发明的FPGA与时钟接口连接电路图；
图6是本发明的FPGA与NandFlash存储阵列连接电路图；
图7是本发明的FPGA与接口连接电路图。
具体实施方式
如图1所示，高速四通道信号采集板，包括信号控制电路、时钟管理电路、高速ADC1、高速ADC 2、FPGA、NandFalsh存储阵列电路、电源管理电路、USB、PCIe接口电路、外部时钟及内部晶振，信号控制电路完成信号的增益控制以及信号的偏置控制，时钟管理电路完成时钟源的选取及采样时钟频率修改，高速ADC完成模拟信号的数字化转换，FPGA完成数据的处理存储以及传输控制，NandFlash存储阵列完成数据的大容量存储，各个接口完成FPGA与外部设备的数据交换功能，电源管理电路完成给板卡提供各个电压，具体电路连接为，信号控制电路中通道1、通道2信号通道控制电路单向连接高速ADC1，高速ADC1单向连接FPGA，通道3、通道4信号通道控制电路单向连接高速ADC2，高速ADC2单向连接FPGA，FPGA单向连接时钟管理电路和单向连接信号控制电路，FPGA双向连接NandFalsh存储阵列电路，FPGA双向连接USB接口电路和PCIe接口电路，电源管理电路给板卡个电路提供各电压，外部触发信号与FPGA单向连接，外部时钟及内部晶振分别单向连接时钟管理电路。
如图2、3、4所示，信号控制电路的增益控制部分采用反相放大电路实现，每级放大电路可实现若干几种信号比例的增益控制，每级放大电路均由FPGA控制，选择合适的放大（衰减）倍数，通过不同放大器之间的级联，实现所需的增益控制，信号的偏置控制由一个反相放大器和一个DAC组成，DAC由FPGA控制，输出适当的电压，信号和DAC输出的电压在反相放大器进行相减，实现偏置的控制，高速ADC部分采用2片TI公司的ADC12D1800，该ADC集成两个信号输入通道，12bit采样精度，最高采样率双通道1800MSPS。FPGA与信号控制电路之间采用信号通断控制，来选择每一级放大电路的增益倍数。信号的偏置控制由FPGA控制一路DAC，产生所需偏置电压，通过反相放大器将信号与偏置电压相减，达到偏置控制目的。
FPGA与ADC之间通过4组信号线连接，每组信号线由14对差分线组成，其中12对数据信号差分线，1对时钟数据差分线以及1对溢出指示信号差分线。同时FPGA通过SPI接口与两片ADC12D1800连接，通过SPI接口读写ADC芯片的内部寄存器，来控制ADC的工作模式。
如图5所示，时钟管理由时钟管理芯片AD9520实现，外部时钟输入和晶振时钟输入均连接到AD9520时钟输入端，由FPGA来控制时钟输入的选择，当选择外部时钟输入时，AD9520完成时钟的分发，将时钟分为两路传输给2片ADC，当选择内部时钟输入时，由FPGA控制，AD9520产生所需的时钟，并传输给两片ADC。FPGA与AD9520之间通过SPI接口连接，完成FPGA对时钟管理的控制，包括对时钟的选取以及输出时钟频率的确定。
如图6所示，NandFlash存储阵列由32片Micron公司的MT29F256G08组成，排列成4×8的阵列形式。每片MT29F256G08芯片的存储容量为32GB，存储阵列的总容量可以达到32G×32=1TB。每片FLASH芯片的数据位宽为16bit，最大工作频率为50MHz，所以理论上该阵列的存储速度最大可以达到4×16×50=400MB/S，实际使用中，由于存在页编程和擦除等时间，实际存储速度在350MB/S左右。FPGA与NandFlash存储阵列之间通过64bit数据信号和相关控制信号连接，实现数据的传输和FLASH的控制功能。
电源管理部分完成对板卡各个电源的供给。其中ADC的模拟部分电源采用线性电源TPS74401，其他数字部分的开关电源采用TI公司的电源模块，设计简单，稳定度高。
如图7所示，接口电路中，USB接口采用CYPRESS公司的CY7C68013USB控制芯片，该芯片使用简单，对PFGA提供类似FIFO的接口，FPGA只需对该芯片进行FIFO读写技能完成数据的USB2.0协议传输，本发明主要使用该芯片传输上位机软件对FPGA的控制命令，接口电路中的PCIe接口直接使用K7 FPGA的GTX高速串行总线，对外提供接插件和金手指两种连接方式。

Claims (1)

1.一种高速四通道信号采集板，包括信号控制电路、时钟管理电路、高速ADC1、高速ADC2、FPGA、NandFalsh存储阵列电路、电源管理电路、USB、PCIe接口电路、外部时钟及内部晶振，其特征在于：信号控制电路完成信号的增益控制以及信号的偏置控制，时钟管理电路完成时钟源的选取及采样时钟频率修改，高速ADC完成模拟信号的数字化转换，FPGA完成数据的处理存储以及传输控制，NandFlash存储阵列完成数据的大容量存储，各个接口完成FPGA与外部设备的数据交换功能，电源管理电路完成给板卡提供各个电压，具体电路连接为，信号控制电路中通道1、通道2控制电路单向连接高速ADC1，高速ADC1单向连接FPGA，通道3、通道4控制电路单向连接高速ADC2，高速ADC2单向连接FPGA，FPGA单向连接时钟管理电路和单向连接信号控制电路，FPGA双向连接NandFalsh存储阵列电路，FPGA双向连接USB接口电路和PCIe接口电路，电源管理电路给板卡各电路提供电压，外部触发信号与FPGA单向连接，外部时钟及内部晶振分别单向连接时钟管理电路；其中信号控制电路的增益控制部分采用反相放大电路实现，每级放大电路可实现若干几种信号比例的增益控制，每级放大电路均由FPGA控制，选择合适的放大或衰减倍数，通过不同放大器之间的级联，实现所需的增益控制，信号的偏置控制由一个反相放大器和一个DAC组成，DAC由FPGA控制，输出适当的电压，信号和DAC输出的电压在反相放大器进行相减，实现偏置的控制，FPGA与ADC之间通过4组信号线连接，每组信号线由14对差分线组成， 12对数据信号差分线，1对时钟数据差分线以及1对溢出指示信号差分线，同时FPGA通过SPI接口与两片ADC连接，通过SPI接口读写ADC芯片的内部寄存器，来控制ADC的工作模式，时钟管理由时钟管理芯片实现，外部时钟输入和晶振时钟输入均连接到时钟输入端，由FPGA来控制时钟输入的选择，当选择外部时钟输入时，时钟管理芯片完成时钟的分发，将时钟分为两路传输给两片ADC，当选择内部时钟输入时，由FPGA控制，时钟管理芯片产生所需的时钟，并传输给两片ADC，FPGA与时钟管理芯片之间通过SPI接口连接，完成FPGA对时钟管理的控制。
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