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5 Gsps高速数据采集系统的设计与实现

作者:时间:2012-06-14来源:网络收藏

在本设计中,ADC工作在单通道模式下,DMUX1:2输出,输出数据宽度为64位,数据输出率为625 Msps,输出数据的同时输出312.5 MHz同步采样时钟,FPGA在该时钟的上升沿和下降沿采集数据。
由于探测器、信号源等输出的信号通常为单端信号,而ADC的模拟输入端为差分形式,在其前端加入BALUN型高频变压器,不仅实现了单端输入到差分输入的转换,还起到了隔离、抑制外部噪声引入等功能。
高速ADC的8路输出均属于高速数字信号,而其输入信号为模拟信号,因此在进行电路设计时,要考虑ADC的布局、模拟信号走线、数据信号走线以及其采样时钟走线,还有时钟布局和FPGA的接口等,确保所涉及的系统完全满足信号完整性的规范要求,如振铃、反射、串扰和电磁干扰等。
本设计使用Mentor Graphics的PADS软件对高速模数信号PCB板进行设计,根据上面提出的信号完整性和电磁兼容问题,并结合本设计的实际情况,主要进行如下设计:
1)合理布局:采用具有独立的地平面和电源层的多层电路板,并按照电路功能,对器件进行分块布局,模拟电路采用平面技术和网状屏蔽技术。
2)合理的信号走线:ADC的模拟输入信号走线旁边不能有别的走线;其输出的数据信号和时钟信号尽可能远离时钟电路模块,为保证采样时钟信号与数据信号同步,走线时让它们都经历相同的延迟,此外还能保证其时序的一致性,从而消除了走线延时对后端数据接收的影响。在布线条件允许范围内,输出的同一路数据信号线按照最短路径布线原则在同一电路层上走线,差分对与差分对之间的距离要尽量拉大,或者尽可能地减少相邻传输线间的累积平行距离,以减小串扰。时钟输入信号作为模拟信号处理,远离任何模拟输入和数字信号。
3)所有高速信号和时钟信号尽量走在内层。在获得相同目标特征阻抗的情况下,应该将布线层与参考平面(地平面与电源层)间的介质层尽可能的薄,这样就加大了传输线与参考平面间的耦合度,减少相邻传输线间的耦合。
2.2 采样时钟电路设计及其完整性分析
时钟信号的质量是决定采样系统性能的关键因素,也是的一个难点。反映时钟质量的指标主要有两个:相位噪声和相位抖动。在高速、高分辨率的ADC电路中,采样时钟的抖动必然造成时基采样点的偏离,从而导致系统整体性能的下降,主要表现在对ADC采集数据信噪比和有效位数的影响上。
采样时钟完整意义上的抖动应包含时钟源孔径抖动、时钟驱动器件的孔径抖动以及ADC自身的孔径抖动。ADC自身的孔径抖动是一个常数,通常会在器件手册中作为一项重要指标给出,时钟驱动器件引入的时钟的孔径可以通过其器件手册和相位噪声倍频公式获得,时钟源抖动则与时钟稳定性和相位噪声参数有关。
如果ADC时钟总的孔径抖动的概率分布均值为0,方差为σ2(σ=tj,tj为ADC孔径时间)时,系统信噪比与孔径抖动关系可以表示为:
b.jpg
其中n为ADC转换位数,ω为ADC转换频率。
如果系统采样频率为5 GHz,转换位数为8位,希望得到的有效位数需要大于6位,则通过信噪比与有效位数关系式:
SNR=6.02xENOB+1.76 dB (2)
可得系统信噪比要大于37.88 dB,从而可以算出时钟抖动需要小于7.82 ps。采样频率越高,则时钟抖动需要的值就会越小。
本设计中,高速ADC芯片工作在单通道模式下,为满足EV8AQ160对高质量采样时钟的要求,这里采用低抖动、低相位噪声锁相环时钟芯片AD9520提供2.5GHz采样时钟。AD9520片内VCO可从2.27GHz调节到2.65GHz,还支持外部3.3V或5V供电,频率高达2.4GHz的VCO/VCXO。 AD9520支持SPI和I2C接口,片内集成一片EEPROM可通过串行接口编程以及保存用于上电复位的用户定义存储器的设置。有4组共12个LNPECL时钟输出,任何一个LVPECL输出在时钟频率不大于250 MHz时均可重新定义为2个CMOS输出,并且在上电时可自动同步所有的输出。AD9520的时钟抖动低至十数量级fs,最高为百数量级fs,可以满足本系统对采样时钟的要求。
为了减小时钟相位的抖动和采样时钟偏移,在时钟电路的PCB设计上还采用阻抗匹配的微带线和对称等长走线,防止高速时钟信号反射,提高时钟的信号质量。时钟信号的驱动电路采用差分PECL电路,PECL器件的电平转换速度快,输出信号抖动小,可以减小ADC时钟的孔径抖动。
2.3 高速ADC与FPGA接口设计
ADC输出8路8 bit 625 Msps低电压差分信号(LVDS)逻辑的数据,在设计中对与其接口器件的性能要求也较高。Xilinx公司Virtex-6系列型号为XC6VLX240T-1156C的FPGA具有高达200个专用LVDS差分逻辑接收通道,双数据率(DDR)LVDS通道发送数据速率高达1.25 Gbps,接收数据速率也高达1.0 Gbps,能够满足接收EV8AQ160输出数据和逻辑控制的要求。由于ADC的输出和FPGA的输入均设计为LVDS逻辑标准,因此ADC可直接与FPGA相连。Virtex-6系列FPGA内部具有专门的LVDS处理单元,可实现LVDS逻辑的串/并降速转换,降低速率后的数据给到内部分布式处理算法(DPA)单元进行精确处理后存储到内部的存储单元或者外部存储器件DDR3中。当需要对数据进行进一步处理时,通过PCI Express将有效的采集、存储数据发送到上位机,经过软件编程实现采集信号的波形显示。


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