高速信號采集與數(shù)據(jù)形成系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　根據(jù)設(shè)計要求，兩片ADC的復位信號同樣需要滿足時序的同步要求。復位信號由FPGA產(chǎn)生以后，F(xiàn)PGA輸出的復位信號分別送入兩片AD芯片的DCLK_RST端，對兩片ADC進行同步復位。

　?。?）控制信號

　　該AD轉(zhuǎn)換器的控制接口有兩種，一種是通過電平控制，另一種可以通過SPI口的復雜控制，通過復雜控制可以在擴展模式下使用該款AD的所有功能。

　　4 AD與FPGA的數(shù)據(jù)接口電路

　　單片ADC的輸出位寬為32Bit，32位并行輸m數(shù)據(jù)采用一片Vertix5 FPGA接收，并進行串并轉(zhuǎn)換，對高速采樣數(shù)據(jù)進行降速、緩存。

　　Vertex-5是Xilinx推出的Vertex系列的第五代產(chǎn)品，它有24個RocketlO收發(fā)器，工作在100Mbps到3．2Gbps之間，內(nèi)建PCI Express模塊和三重模式以太網(wǎng)媒體訪問控制器（MAC）模塊，支持LVDS，LVPECL等多種信號接口。

　　每片ADC輸出信號包括32Bit采樣輸出數(shù)據(jù)、一路數(shù)據(jù)同步時鐘（DCLK），一路采樣溢出信號（OR），和一路自檢驗進行中的指示信號（CalRun），以上各信號除了CalRun輸出電平均為LVDS。

　　
　　圖4 LVDS工作原理

　　LVDS（Low Voltage Differential）是一種小振幅差分信號標準。LVDS的典型工作原理如圖一所示，最基本的LVDS器件就是LVDS驅(qū)動器和接收器。LVDS的驅(qū)動器由驅(qū)動差分線的電流源組成，電流通常為3．5mA。LVDS接受其具有很高的輸人電阻，因此驅(qū)動器輸出的大部分電流都流過100的匹配電阻，并在接受器的輸入端產(chǎn)生大約350mV的電壓，當驅(qū)動器翻轉(zhuǎn)時，它改變流經(jīng)電阻的電流方向，因此產(chǎn)生有效的邏輯1和邏輯0狀態(tài)。LVDS具有高速、超低功耗、低噪聲和低成本的優(yōu)良特性。

　　LVDS在板級設(shè)計中應注意以下幾點：（1）盡量保持差分線的等間距與等長，防止引起信號間的相位差而導致的輻射，兩條差分線之間的距離應盡可能近，使接收器的共模抑制能力增強。（2）保持LVDS信號線的PCB電線返回路徑的連續(xù)。不要跨越分割，否則跨越分割部分的傳輸線會因為缺少參考平面或參考平面的不連續(xù)而導致阻抗的不連續(xù)。（3）盡量避免過多的打孔，在滿足流過電流的前提下，孔徑越小，所產(chǎn)生的容性感性越小。（4）避免使用導致阻抗不連續(xù)的90度拐角走線，應采用圓弧或135度折線來代替。（5）使用終端電阻實現(xiàn)對差分線的最大匹配，匹配電阻起到吸收負載反射信號的作用，差分阻抗一般控制在85～115之間。

　　5 FPGA的RocketlO收發(fā)器接口的設(shè)計

　　Vertex5的RocketIO收發(fā)器采用第四代千兆位級收發(fā)器技術(shù)，傳輸速度在100Mbps到3．75Gbp之問。在3．75Gbps下每個通道的功率均低于100mW，是業(yè)內(nèi)最低的功耗。采用了先進的TX／RX均衡技術(shù)，便于在一些通道上調(diào)節(jié)收發(fā)器，以便實現(xiàn)可靠的操作。內(nèi)置式的PRBS收發(fā)器和檢驗器簡化了特征說明和調(diào)試。

　　本系統(tǒng)使用Vertex5的RocketlO收發(fā)器實現(xiàn)了采樣數(shù)據(jù)的串行輸出。為了保證RocketlO收發(fā)器能可靠地工作，硬件電路設(shè)計需要遵循一定的要求，需要考慮到以下幾個方面。

　?。?）參考時鐘設(shè)計：

　　RocketlO收發(fā)器需要高精度的差分時鐘，本系統(tǒng)采用Xilinx推薦的高頻低抖動的Epson EG-2121CA差分輸出（LVDS）晶陣．可提供53.125-700MHZ的頻率范圍和低的抖動（RMS Period:3ps； Peak to Peak：25ps）．可以滿足設(shè)計中RocketlO模塊對參考時鐘性能的要求。

　?。?）電源設(shè)計：

　　RocketlO收發(fā)器的電源引腳對噪聲的影響比較敏感．所以需要進行專門的供電，隔離外圍噪聲源的影響。每一個供電引腳有自己的LC濾波網(wǎng)絡(luò)。

　?。?）PCB設(shè)計：

　　在布線時應特別注意，由于傳輸信號的頻率很高，所以差分信號線在長度上要盡量匹配，嚴重的失配會產(chǎn)生嚴重的抖動和不可預知的時序問題。

　　6 結(jié)束語

　　本文詳細介紹了一種基于高速轉(zhuǎn)換芯片ADC08D1500和高端的FPGA Vertex-5的采集系統(tǒng)的設(shè)汁，此采集系統(tǒng)的速度達到了1.5G，可以應用在現(xiàn)代寬帶通信中。該系統(tǒng)具有體積小，功耗低，使用靈活方便等特點。特別是RocketlO收發(fā)器的應用，極大的提高了芯片之間信號傳輸?shù)乃俣群涂煽啃?，對于提高雷達的整體性能起到了很大的作用。

　　文章創(chuàng)新點：基于Vertex5和ADC08D1500的信號采樣與數(shù)據(jù)形成系統(tǒng)，使用Vertex5的RocketlO收發(fā)器采用第四代千兆位級收發(fā)器技術(shù)使用實現(xiàn)了采樣數(shù)據(jù)的串行輸出。