一种12位双通道高速数据采集处理系统

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                    　　在科学技术高度发展的现代社会,超高速数据采集处理系统越来越广泛地应用于雷达、通讯、图像、军工以及医疗化工等领域。本文介绍的是一种基于12位闪烁式模/数转换器AD9224、大容量FIFO芯片UPD42280及高性能浮点型数字信号处理器TMS320C32的高速数据采集与处理系统。该系统能对两路信号同时采样,存入FIFO缓存器反再按需要由DSP控制进行分时处理。由于缓存的容量较大（256K字节）,因此在高达33.3MHz的频率下仍允许对信号连续采样几周波,以保证采样的高度连续。其硬件原理图如图1所示。






　　1（CLK） 时钟输入
　　2（BIT12） 数据输出最低位LSB
　　3～12（BIT11～BIT2） 数据输出
　　13（BIT1） 数据输出最高位MSB
　　14（OTR） 数据溢出标志位
　　15、26（AVDD） +5V模拟电源
　　16、25（AVSS） 模拟地
　　17（SENSE） 参考选择
　　18（VREF） 输入参考选择
　　19（REFCOM） 通用参考（AVSS）
　　20、21（CAPB、CAPT） 减噪管脚
　　22（CML） 共模方式
　　23（VINA） 模拟输入（+）
　　24（VINB） 模拟输入（-）
　　27（DRVSS） 数字地
　　28（DRVDD） 数字电源
　　AD9224是一种高性能、单电源+5V、最高采样频率为40MSPS的12位ADC。在本设计中,由于FIFO读写时间限制,A/D采样频率最高做到了33.3MHz。AD9224采用CMOS工艺制造,内部集成了基准电压源、宽带输入采样保持放大器等,并且采用四级流水线式结构,前三级每级包括一连接到开关电容器DAC、级间剩余放大器DMAC的闪烁式A/D,第四级只包括闪烁式A/D。闪烁式A/D是目前转换速率最快的ADC。。AD9224采用CMOS工艺制造,内部集成了基准电压源、宽带输入采样保持放大器等,并且采用四级流水线式结构,前三级每级包括一个连接到开关电容器DAC、级间剩余放大器MDAC的闪烁式A/D,第四级只包括闪烁式A/D。闪烁式A/D是目前转换速率最快的ADC。AD9224采用多级流水线结构对输出错误进行逻辑纠正,以保证在整个工作范围内不失码,其数据以二进制形式输出,并带有信号溢出指示位。AD9224在+5V电源下功耗较低,为376mW。其微分非线性误差为0.7LSB,信噪比和失真率为67.5dB。
　　AD9224的输入可以是单端或差分方式。本设计采用的是交流耦合单端输入方式。信号经过由放大器AD9631和并联电容组成的电路后被偏置为关于AVDD/2（2.5V）对称的正弦波,C1和C2由0.1μF的陶瓷电容和10μF的钽电容并联,电容和电阻共同组成了一个高通滤波器。图3所示为A/D部分的电路设计图。






　　本设计中由于A/D有13条数据线（包括OTR位）,所以每路用了两片FIFO来接收数据。两片FIFO的/WE管脚都连接到上路JK触发器J1的/Q管脚上,以便由DSP控制使其同时接收数据。FIFO的读片管脚/OE与读复位管脚/RST接下路JK触发器J2的/Q端,另一路接Q端以控制上下路选择,FIFO的读时钟由DSP的定时器TCLK0给出。
　　系统工作过程如下：
　　上电后,AD9224加上时钟信号即开始数据的转换。写数据时,DSP经过译码电路首先使/Y0输出为低,则两片FIFO的/WRST为低电平,FIFO垢写指针位于0地址处;同时J1被预置,使/WE为低,两片FIFO从0地址开始同步接收A/D转换的数据。由于FIFO没有存储器写满标志,A/D没有控制转换起止标志,因此只能通过软件控制,由DSP延时t(t为FIFO开始转换到写满的时间)后,写74LS138使/Y1为低,J1发生翻转,/WE变为高,写操作被禁止。读数据时,在DSP控制下使/Y2为低,J2被置位,/Q为低,上路FIFO的/RST和/OE同时变低,读指针处于0地址处并允许DSP对其进行读操作。读数据是通过对R/WE、/IOSTRB的共同操作完成的。DSP的处理完该路数据之后,再次写译码器使/Y3为低,J2翻转,/Q为高,上路FIFO的访问被禁止;同时,Q变低,允许读取下路FIFO的数据。
　　由于FIFO的读烈军属时间所限,本设计的采样时钟没有做到40MHz,而是采用了最高33.3MHz的时钟。时钟信号由66.6MHz的晶振振荡器经过分频后分别接到A/D的CLK端和FIFO的WCK端,以便使FIFO和AD9224采用同一时钟源,保持时序的严格同步。
　　本设计为通用系统。采用高性能的12位模/数转换器AD9224进行采样,数据精度较高。尽管由于FIFO的读取时间所限,最高采样频率只做到了33.3MHz,但是由于FIFO的容量较大,因此可以连续不同断地采样256k个点。这对于要求高速连续采样的系统是非常适用的,而且省去了大容量的RAM,在一定程序上节省了硬件开支。