100MHz 數(shù)字存儲(chǔ)示波表樣機(jī)的研究與試制----數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)(一)

第三章數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是數(shù)字存儲(chǔ)示波表的核心部分，它完成由模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換，即模擬信號(hào)經(jīng)調(diào)理通道后進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，再將這些數(shù)字量存入緩存器FIFO，由DSP讀回進(jìn)行計(jì)算處理，最后送去顯示。

3.1 A/D的選擇

數(shù)字存儲(chǔ)示波表要顯示信號(hào)波形首先要對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采樣。所謂采樣就是對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行量化的過(guò)程。而量化過(guò)程實(shí)際上存在著許多限制。首先，它要受到量化范圍的限制。由于A/D總有一定的輸入量程，超出了該量程，轉(zhuǎn)換結(jié)果就會(huì)出現(xiàn)很大的誤差。例如，信號(hào)如果超出了上限，那么A/D只能給出最大碼值；反之，如果超出了下限，只能給出最小碼值。這樣，采樣結(jié)果就會(huì)相對(duì)于模擬信號(hào)產(chǎn)生很大的畸變，不能有效的反映真實(shí)的信號(hào)信息。另外，A/D對(duì)量化值進(jìn)行編碼的位數(shù)決定了采樣模擬信號(hào)的精確性。編碼位數(shù)越多，對(duì)模擬信號(hào)的分辨率也就越高，采樣出來(lái)的信號(hào)電壓值也就更準(zhǔn)確。在實(shí)際應(yīng)用中我們選擇的模擬/數(shù)字變換器（ADC）是ANALOG DEVICE公司的AD9288，它的基本性能描述如下：

◆兩個(gè)八位模擬/數(shù)字變換通道，100MSPS采樣率/每通道

◆低功耗：90mW/每通道（100MSPS時(shí)）

◆片內(nèi)提供參考電壓和采樣、保持電路

◆模擬通道：475MHz模擬帶寬信噪比：SNR=47dB@41MHz

◆模擬輸入范圍：1Vpp/每通道

◆單電壓供電（+3.0V）

◆等待模式選擇

◆兩種數(shù)據(jù)輸出格式

◆輸出數(shù)據(jù)與拼接模式

AD9288是雙通道八位單片模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器，具有內(nèi)部的采樣保持電路，是一款低價(jià)格、低功耗、體積小易于使用的優(yōu)化產(chǎn)品。它工作在100MSPS轉(zhuǎn)換率時(shí)同樣具有出色的動(dòng)態(tài)性能，并且兩個(gè)通道可以完全獨(dú)立工作。

這款模擬/數(shù)字變換器只需要單3.0V電源供電（2.7V-3.6V），提供編碼時(shí)鐘輸入方式，在大多數(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，不需要外接參考電壓或者是驅(qū)動(dòng)器件。數(shù)字輸出和TTL/CMOS兼容，并且有獨(dú)立的輸出供電引腳，支持多數(shù)字邏輯電壓（2.5V或3.3V）接口。編碼輸入是與TTL/CMOS兼容的，并且8位數(shù)字輸出能在2.5V到3.3V電壓范圍內(nèi)工作（典型值為3.0V）。用戶選擇項(xiàng)提供聯(lián)合等待模式、數(shù)據(jù)格式選擇，數(shù)據(jù)拼接模式。在等待模式下，數(shù)據(jù)輸出處于高阻狀態(tài)。先進(jìn)的CMOS工藝使得AD9288體積超?。?mm * 7mm * 1.4mm），采用48PIN_LQFP封裝。

工業(yè)制品溫度范圍：（-40℃—+85℃）。

AD9288提供的S1、S2兩個(gè)引腳可以用來(lái)選擇多種操作模式。操作模式如表3-1.

如表所示，當(dāng)S1、S2都設(shè)置為1時(shí)，AD9288工作在雙通道拼接模式。所謂拼接模式即是允許使用者將B通道輸出數(shù)據(jù)錯(cuò)位半個(gè)周期。也就是說(shuō)，向A、B兩個(gè)通道提供相同的采樣時(shí)鐘（CLK_A=CLK_B），對(duì)同一信號(hào)進(jìn)行采樣。兩通道的數(shù)據(jù)同在CLK_A上升沿有效。這樣，在輸出時(shí)B通道的數(shù)據(jù)就和A通道的數(shù)據(jù)相差180度相位。從而，使采樣率達(dá)到了普通工作模式下的2倍。這一功能是非常有用的：如果用100MSPS的采樣率對(duì)20MHz信號(hào)進(jìn)行采樣每個(gè)周期只能得到5個(gè)采樣點(diǎn)，只能基本恢復(fù)和再現(xiàn)信號(hào)波形，如果利用相同的時(shí)鐘，工作在拼接模式，將一個(gè)被測(cè)信號(hào)同時(shí)送入兩個(gè)通道，就可以得到10個(gè)采樣點(diǎn)，重現(xiàn)波形的效果會(huì)得到很大改善。我們?cè)趯?shí)際使用中，令其工作在普通模式下，兩通道采集相互獨(dú)立，及S1=1，S2=0.其具體連接圖如圖3-1所示。

3.2 FIFO的構(gòu)成

當(dāng)模擬信號(hào)被A/D采樣進(jìn)來(lái)以后，需要有一個(gè)能夠快速保存采樣數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器。FIFO（First In First Out）是一種先進(jìn)先出（即第一個(gè)讀出來(lái)的數(shù)據(jù)就是第一個(gè)寫(xiě)進(jìn)去的數(shù)據(jù)）存儲(chǔ)器。它沒(méi)有地址線，省去了尋址時(shí)間。另外，它還可以同時(shí)對(duì)存儲(chǔ)空間進(jìn)行讀寫(xiě)。所以，它比一般存儲(chǔ)器的讀取速度要快很多。能夠滿足在高速采樣時(shí)，對(duì)存儲(chǔ)器快速讀寫(xiě)的要求。在實(shí)際應(yīng)用中，我們沒(méi)有采用現(xiàn)成的FIFO芯片。而是利用FPGA里面自帶的5K RAM，通過(guò)MAX-PLUS II調(diào)用它宏單元庫(kù)MEGA_LPM里的庫(kù)文件LPM_FIFO_DC，把它設(shè)置成為兩個(gè)2.5K的FIFO.由于一個(gè)LPM_FIFO_DC庫(kù)文件只能實(shí)現(xiàn)2ⁿ個(gè)存儲(chǔ)空間。所以，我們調(diào)用了兩個(gè)庫(kù)文件（大小分別為2 9＝512和2 11＝2048）串連，來(lái)實(shí)現(xiàn)2.5K的空間。
具體連接如圖3-2.

如圖所示，一個(gè)LPM_FIFO_DC庫(kù)文件有一個(gè)寫(xiě)使能信號(hào)wrreq，一個(gè)寫(xiě)時(shí)鐘信號(hào)wrclock，一個(gè)讀使能信號(hào)rdreq，一個(gè)讀時(shí)鐘信號(hào)rdclock，一個(gè)清除端aclr，8位數(shù)據(jù)輸入線和8位數(shù)據(jù)輸出線；同時(shí)還有兩個(gè)狀態(tài)端：FIFO滿信號(hào)wrfull和FIFO空信號(hào)rdempty.它的具體工作原理是：1.寫(xiě)FIFO時(shí)，數(shù)據(jù)首先進(jìn)入0.5K的FIFO.此時(shí)，0.5K FIFO讀寫(xiě)使能同時(shí)有效，數(shù)據(jù)進(jìn)入0.5K FIFO后，隨即被寫(xiě)入到2K的FIFO.當(dāng)2K的FIFO寫(xiě)滿后，此FIFO模塊的滿信號(hào)有效，使得該模塊FIFO的寫(xiě)使能和0.5K FIFO讀使能都置為無(wú)效，寫(xiě)入的數(shù)據(jù)直接存入0.5K的FIFO不再轉(zhuǎn)移，直到2.5K全部寫(xiě)滿為止。2.讀FIFO時(shí)，初始狀態(tài)為0.5K FIFO讀使能有效，2K FIFO讀寫(xiě)使能同時(shí)有效。來(lái)一個(gè)讀時(shí)鐘就從2K FIFO讀走一個(gè)最老的數(shù)據(jù)，同時(shí)，又從0.5K FIFO寫(xiě)進(jìn)一個(gè)數(shù)據(jù)。當(dāng)0.5K FIFO讀空后，即0.5K FIFO的數(shù)據(jù)已全部轉(zhuǎn)移至2K FIFO后，0.5K FIFO讀空信號(hào)有效，從而，關(guān)斷2K FIFO的寫(xiě)使能，使2K FIFO只讀不寫(xiě)，直到所有2.5K數(shù)據(jù)全部讀空。

3.3觸發(fā)

觸發(fā)是由觸發(fā)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的。如果沒(méi)有觸發(fā)電路，你在屏幕上看到的將會(huì)是具有隨機(jī)起始點(diǎn)的很多波形雜亂重疊的圖像。而觸發(fā)電路的主要作用就是保證每次拿去顯示的點(diǎn)都是從輸入信號(hào)上的一精確確定的點(diǎn)開(kāi)始。它主要包括：觸發(fā)源選擇、觸發(fā)類型選擇、觸發(fā)耦合方式選擇、觸發(fā)釋抑等。

3.3.1觸發(fā)電路

1.觸發(fā)源選擇

觸發(fā)源一般有內(nèi)觸發(fā)、外觸發(fā)和電源觸發(fā)三種類型。觸發(fā)源的選擇應(yīng)根據(jù)被測(cè)信號(hào)的特點(diǎn)來(lái)確定，以保證被測(cè)信號(hào)波形的穩(wěn)定顯示。

（1）內(nèi)觸發(fā)：將被測(cè)信號(hào)本身作為觸發(fā)源。

（2）外觸發(fā)：用外接的、與被測(cè)信號(hào)有嚴(yán)格同步關(guān)系的信號(hào)作為觸發(fā)源，這種觸發(fā)源用于比較兩個(gè)信號(hào)的同步關(guān)系，或者，當(dāng)被測(cè)信號(hào)不適于作觸發(fā)信號(hào)時(shí)使用。

（3）電源觸發(fā)：用50Hz的工頻正弦信號(hào)作為觸發(fā)源，適用于觀測(cè)與50Hz交流有同步關(guān)系的信號(hào)。

在實(shí)際項(xiàng)目中，我們只采用了內(nèi)觸發(fā)和外觸發(fā)兩種觸發(fā)源。它主要通過(guò)DSP發(fā)出的串行碼經(jīng)過(guò)FPGA和D觸發(fā)器來(lái)控制一個(gè)四路選擇器來(lái)實(shí)現(xiàn)。具體電路如圖3-3.

2.觸發(fā)耦合方式選擇

選擇好觸發(fā)源后，為了適應(yīng)不同的觸發(fā)信號(hào)頻率，示波器一般設(shè)有四種觸發(fā)耦合方式。

（1）“DC”直流耦合：是一種直接耦合方式，用于接入直流或緩慢變化的觸發(fā)信號(hào)，或者頻率較低并含有直流分量的觸發(fā)信號(hào)。

（2）“AC”交流耦合：是一種通過(guò)電容耦合的方式，有隔直作用。觸發(fā)信號(hào)經(jīng)一個(gè)電容接入，用于觀察從低頻到較高頻率的信號(hào)。

（3）“低頻抑制”耦合：使觸發(fā)源信號(hào)通過(guò)一個(gè)高通濾波器以抑制其低頻成分。

這對(duì)于顯示包含很多電源交流噪聲的信號(hào)是很有用的。

（4）“高頻抑制”耦合：使觸發(fā)源信號(hào)通過(guò)低通濾波器以抑制其高頻分量。這意味著既使一個(gè)低頻信號(hào)中包含很多高頻噪聲，我們?nèi)阅苁蛊浒吹皖l信號(hào)觸發(fā)。

3.觸發(fā)類型選擇

數(shù)字存儲(chǔ)示波器最大的優(yōu)點(diǎn)就是具有先進(jìn)、多樣的觸發(fā)功能，從而使示波器的應(yīng)用更加得心應(yīng)手。利用這些觸發(fā)功能，示波器就能完成比以前更多的工作。常用的觸發(fā)類型有邊沿觸發(fā)、視頻觸發(fā)、脈沖觸發(fā)和毛刺觸發(fā)。本項(xiàng)目中采用了邊沿觸發(fā)和視頻觸發(fā)。其中，邊沿觸發(fā)分為上升沿觸發(fā)和下降沿觸發(fā)兩種；視頻觸發(fā)分為行頻觸發(fā)和場(chǎng)頻觸發(fā)兩種。這四種觸發(fā)信號(hào)分別進(jìn)入FPGA，通過(guò)一個(gè)四路選擇器，選擇其中之一作為系統(tǒng)觸發(fā)信號(hào)。其具體電路如圖3-4.

4.觸發(fā)釋抑

觸發(fā)釋抑的主要作用就是調(diào)整觸發(fā)信號(hào)為一標(biāo)準(zhǔn)的周期信號(hào)，從而達(dá)到穩(wěn)定顯示波形的目的。例如，我們要觀測(cè)如圖3-5所示的周期信號(hào)。這個(gè)信號(hào)波形一個(gè)周期內(nèi)的1、2、3、4點(diǎn)的位置都滿足觸發(fā)條件。如果按一般情況，系統(tǒng)

就會(huì)在1、2、3、4點(diǎn)都產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)，這樣就會(huì)造成顯示時(shí)波形的左右抖動(dòng)。

解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵就是在于調(diào)節(jié)觸發(fā)釋抑時(shí)間，使觸發(fā)信號(hào)產(chǎn)生在每個(gè)信號(hào)波形周期的相同位置，即，使每次觸發(fā)都發(fā)生在各周期的1、2、3或4位置，這樣，信號(hào)波形才能無(wú)抖動(dòng)的重現(xiàn)出來(lái)。

本項(xiàng)目中觸發(fā)釋抑具體實(shí)現(xiàn)電路如圖3-6所示。由圖知，這個(gè)電路包括三

個(gè)輸入信號(hào)：計(jì)數(shù)使能信號(hào)PRE_TRI_FULL；計(jì)數(shù)時(shí)鐘信號(hào)CNT_CLK；釋抑時(shí)間設(shè)置TRI_DELAY_DATA.一個(gè)輸出信號(hào)：觸發(fā)屏蔽信號(hào)Armed.它的工作原理是：剛開(kāi)始時(shí)Armed為低電平，屏蔽所有觸發(fā)信號(hào)。達(dá)到預(yù)觸發(fā)深度后，計(jì)數(shù)使能信號(hào)PRE_TRI_FULL有效，使計(jì)數(shù)器按照計(jì)數(shù)時(shí)鐘CNT_CLK開(kāi)始計(jì)數(shù)。當(dāng)計(jì)數(shù)到預(yù)先設(shè)置的計(jì)數(shù)值TRI_DELAY_DATA后（此計(jì)數(shù)值由DSP送過(guò)來(lái)），Armed變?yōu)楦唠娖剑_(kāi)放觸發(fā)信號(hào)。