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1、内蒙古大学硕士学位论文基于TMS320C6713 DSP的高速数据采集系统设计姓名：菅晓宇申请学位级别：硕士专业：模式识别与智能系统指导教师：张泽20080609内蒙古大学硕上学位论文基于T M S 3 2 0 C 6 713D S P 的高速数据采集系统设计摘要D S P 的广泛应用为利用现代数字信号处理技术高速大量的处理信息提供了一个有效手段，而数据采集技术在其中起关键性作用。开发基于D S P 的高速数据。采集系统可以满足多个领域的数字信号处理需要，其中超声自动无损检测是一个非常重要的应用领域。本文阐述了一种基于D S P 的高速数据采集系统的总体设计方法，对系统各部分功能的实现方法做了
2、详细的分析和介绍。本数据采集系统以D S P 最小系统为中心。采集芯片选用A D 公司生产的1 2 位双通道6 5 M S P S 高速A D 转换芯片A D 9 2 3 8，并采用A D 公司提供的差分驱动芯片A D 8 1 3 8 为A D 9 2 3 8 提供输入范围内的差分信，号。数字信号处理器选用1 1 公司生产的C 6 0 0 0 系列高性能浮点型D S P 芯片T M S 3 2 0 C 6 7 1 3，采用F I F O 解决D S P 与A D 芯片工作速率不匹配问题，有效的避免了数据丢失，提高了D S P 的工作效率。高速数据采集部分和数字信号处理部分采用T e c h V
3、 总线来进行端口信号的传递。最后提出一种基于L M S 算法的自适应滤波器，对A D 采样信号进行前端滤波去噪。最后完成滤波算法在D S P 中的实现。本文设计的基于咖S 3 2 0 C 6 7 1 3D S P 的高速数据采集系统为工业测控系统提供了良好的硬件支持，为A D 采样信号前端去噪提供了一个非常有用的方法，为研制基于D S P 的超声检测系统打下基础。关键词：高速数据采集，模数转换器，浮点型D S P，自适应滤波，T c c h V 总线内蒙古大学硕士学位论文T H ED E S I G NO FT H EH I G H-S P E E DD A T AA C Q U I S I
4、T I O NS Y S T E MB A S E Do NT M$3 2 0 C 6 7 1 3D S PT h ew i d e s p r e a du s eo fD S Pp r o v i d e sa ne f f e c t i v em e a n sf o rp r o c e s s i n gl a r g en u m b e r so fi n f o r m a t i o nq u i c k l yb a s e do nm o d e r nd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o
5、g y，i nw h i c hd a t aa c q u i s i t i o nt e c h n o l o g yh a sak e yr o l e T h eh i g h-s p e e dd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e do nD S Pc a nm e e tt h ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gn e e d sf o rv a r i o u sf i e l d s，a n du l t r a s o n i cn o n d e s t r u
6、 c t i v et e s t i n gi sav e r yi m p o r t a n ta p p l i c a t i o n I nt h ep a p e r,i td e s c r i b e st h ec o m p r e h e n s i v ed e s i g nm e t h o df o rt h eh i g h s p e e dd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e do nD S Pa n dp r e s e n t st h ed e t a i l so ft h ei m p l
7、e m e n t a t i o nm e t h o do fe a c hs y s t e mf u n c t i o n T h i sd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mt a k e st h es m a l l e s ts y s t e mo fD S Pa sac e n t e r T h eh i g h s p e e dA Dc o n v e r t e rs e l e c t sA D 9 2 3 8w h i c hi s1 2-b i t，6 5 M S P Sd u a lc h a n n e l sA
8、Dc o n v e r t e rp r o d u c e db yA Dc o r p o r a t i o na n ds e l e c t sl o wd i s t o r t i o nd i f f e r e n t i a lA D Cd r i v e rA D 8 1 3 8t op r o v i d ed i f f e r e n t i a li n p u tf o rt h eA D 9 2 3 8 T h ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o rs e l e c t sC 6 0 0 0s e r i e
9、sh i g h-p e r f o r m a n c ef l o a t i n g-p o i n tD S Pp r o d u c e db yT Ic o r p o r a t i o n F I F Oi su s e dt os o l v et h ep r o b l e mt h a tD S Pa n dA Dc o n v e r t e r Sw o r kr a t ed o e sn o tm a t c hw h i c he f f e c t i v e l ya v o i d sd a t a内蒙古人学硕J 二学位论文l o s sa n di m
10、 p r o v e st h ee f f i c i e n c yo ft h eD S ET h eA Dc i r c u i ta n dt h ed a t ap r o c e s s i n gc i r c u i ti sc o n n e c t e db yt h eT e c h Vb u sw h i c hc o m p l e t e st h ep i n sc o n n e c t i o no ft h ed a t aa c q u i s i t i o np a r ta n dt h ed a t ap r o c e s s i n gp a
11、 r t F i n a l l y,t h ea d a p t i v ef i l e rb a s e do nt h eL M Sa l g o r i t h mi sd e s i g n e dt of i l e rt h en o i s eo fA Ds a m p l i n gs i g n a l A n dt h er e a l i z a t i o no ft h ea l g o r i t h mi nt h eD S Pa r ec o m p l e t e di nt h ep a p e r T h eh i g h s p e e dd a t
12、 aa c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e do nT M S 3 2 0 C 6 7 1 3D S Pp r o v i d e sag o o dh a r d w a r es u p p o r tf o rt h ei n d u s t r i a lm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e r m T h ep a p e rp r o v i d e sav e r yu s e f u lm e t h o dt of i l e rt h en o i s eo fA Ds a
13、m p l i n gs i g n a l T h ed e s i g nm a k e sf o u n d a t i o nf o rd e v e l o p m e n to fu l t r a s o n i cd e t e c t i o ns y s t e m K E Y W O R D S：h i g h s p e e dd a t aa c q u i 蠹t i o n，A Dc o n v e r t e r,f l o a t i n g p o i n tD s 碍a d a p t i v ef i l e r,T e c h Vb u s原创性声明本人
14、声明：所呈交的学位论文是本人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除本文已经注明引用的内容外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得内墓直太堂及其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名彩陋E l期：!Z：兰指导教师签名：砬E l期：Z 通垂必在学期间研究成果使用承诺书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：内蒙古大学有权将学位论文的全部内容或部分保留并向国家有关机构、部门送交学位论文的复印件和磁盘，允许编入有关数据库进行检索，也可以采用影印、缩印或其他
15、复制手段保存、汇编学位论文。为保护学院和导师的知识产权，作者在学期间取得的研究成果属于内蒙古大学。作者今后使用涉及在学期间主要研究内容或研究成果，须征得内蒙古大学就读期间导师的同意；若用于发表论文，版权单位必须署名为内蒙古大学方可投稿或公开发表。学位论文作者签日指导教师繇粉期：丝吗!上丝内蒙古大学硕士学位论文引言1 研究背景近些年来，随着社会的发展和科技的进步，信号处理技术已经越来越广泛的应用于人类生活的各个领域。从本世纪六十年代以来，数字信号处理技术逐渐成为信号处理领域的主力，它已经渗透到各个应用领域。而数字信号处理技术的根本基础就是采样定理，正是由于可以将模拟信号采样量化，而同时又可以保证
16、不破坏信号的频率特性，所以才有了将信号处理数字化的可能。因此，可以说信号的采集(数字化)是整个数字信号处理的基础，采集系统的性能直接关系到整个数字信号处理的使用场合和性甜1 1。另一方面，虽然数字信号处理的理论研究一刻也没有停止，而且新型信号处理的算法可以极大的提高处理的速度和效率，但是我们应该看到，在最近二十年中对数字信号处理如此迅猛发展起着主要作用的是新型数字信号处理器的出现和发展【1 1。随着专用D S P 的发展，其单片处理速度不断提高和并行计算能力不断加强，从而使得许多运算规模庞大，以前难以实)o时实现的信号处理算法得以应用，从而将数字信号处理技术不断地向前推进。因而研究新型高速D
17、S P 的应用技术对提高整个数字信号处理系统的效能有着重要意义。数字信号处理也已经成为超声无损检测领域必不可少的重要手段，目前薄板界面粘接状态的超声检测只能借助于常规的工业超声探伤仪，而这种探测仪由于受到检测方法的限制，还基本停留在了解材料内是否有缺陷，或者凭经验判断缺陷的性质，从而不能为生产过程和产品检测提供可靠的依据，因此在国防和工业生产上急需解决薄板粘接界面准确检测问题，故急需开发高性能采集处理系统，尽快设计出一种专门用于薄板粘接界面定量检测的超声探测仪。在目前我们所应用的数据采集系统中，采集速率和处理能力都很高的很少，因此，本论文从这个考虑出发，设计一套基于T M S 3 2 0 C
18、6 7 1 3D S P 的高速数据采集系统，希望能够为研制专门针对超声检测薄板界面粘接质量的超声探测仪打下基础。2 研究现状数据采集系统广泛应用在科研、教育、工业、水利、医疗、物流等各行各业，现在常用内蒙古大学硕1 二学位论文的采集方式是通过数据采集板卡实现数据采集，该实现方法通常适用于规模较复杂的采样控制场合。对于一般的场合通常采用功能比较单一的仪器设备，即时采集显示，再通过经验或做数字信号处理进行分析。采用板卡方式的数据采集系统不仅安装麻烦、易受机箱内环境的干扰，而且容易受计算机插槽数量和地址、中断资源的限制。这些采集系统，一般结构比较复杂，成本较高。数据采集卡发展到现在，已经在速度和接
19、口方式上有了很大的改进。就市场上的数据采集卡而言，它的速度已经突破了5 0 0 M H z，其接口方式也已经拓展到I S A、P C I、U S B、P X I等多种接口。目前，国内的数据采集卡市场主要由国外公司主导，在高速采集卡方面尤为如：此。现在市场上的此类产品多出自N E F F、I O T E C H、I N、H I 、T E K、Z O N I C 和V M I C 等知名外国公司。国内公司由于技术积累、研发投入、微电子技术等方面的落后，它们的产品在稳定性、多样性、通用性等方面较之国外产品有很大的差距。而数据采集卡在目前的社会生产和科研中的作用正日益重要，因此积极研制和开发拥有自主知
20、识产权的数据采集系统对于我国的科研和生产有着很大的现实意义f 2 1。当前市场上的数据采集卡产品基本上是针对数据采集这一功能而研制的，很少涉及可编程性和数字信号处理功能。而随着实际应用的不断扩展，开发具有数据采集和处理能力的采集系统是非常必要的。在数字信号处理器出现以前，数字信号处理的工作只能依靠微处理器来完成。目前在工业生产和科学研究的各行业中，绝大多数还是利用P C 或工控机对各种数据进行采集，如液。位、温度、压力、频率等。其中一般都采用单片机，而单片机已从4 位、8 位、1 6 位在向3 2位发展，对大多数场合来说已经能满足要求了，因为单片机也有许多优点，如价格比较低廉、结构简单、接口扩
21、展能力强，但有个很明显的缺点就是数字运算能力差，它可以应用在一些对采样信号数字处理较为简单的领域，而一些要求对信号的数字处理比较复杂的领域来说，单片机就显得力不从心了，譬如是通讯领域和复杂控制领域等等。直到1 9 6 5 年L o l l e y T u k e y提出快速傅里叶算法，才进入以D S P 理论和算法为基础的研究1 6】。随着大规模集成电路技术的发展，1 9 8 2 年世界上诞生了首枚D S P 芯片。这种D S P 器件采用微米工艺N M O S 技术，虽然功耗和尺寸稍大，但运算速度却比M P U 快了几十倍，尤其在语音合成和编码解码器中得到了广泛应用。D S P 芯片的问世是
22、个里程碑，它标志D S P 应用系统由大型系统向小型化迈出了一大步。到2 0 世纪8 0 年代中期，随着C M O S 技术的进步和发展，第二代基于C M O S 工艺的D S P 芯片应运而生，其存储容量和计算速度得到了成倍的提高，成为图像处理、语音处理、快速数据传输和生物医学系统等领域的技术发展基础。到2内蒙古人学硕：l：学位论文了2 0 世纪8 0 年代后期，第三代D S P 芯片问世以后，它的运算速度进一步提高，其应用范围扩大到了通信和计算机领域。进入9 0 年代，D S P 发展最快，相继出现了第四代和第五代D S P芯片。现在的D S P 芯片属于第五代产品，与第四代相比，系统集成
23、度更高，已将D S P 芯片以及外围器件集成在单一芯片上。这种集成度极高的D S P 芯片不仅在通信、计算机领域大显身手，而且逐渐渗透到人们的日常消费领域【3】。利用D S P 的强大功能，开发基于D S P 的数据采集系统可以应用到各种需要数据采集处理的场合。3 课题研究内容及意义本课题以薄板粘接界面超声定量检测为应用基础开发基于T M S 3 2 0 C 6 7 1 3D S P 的高速数据采集系统。本数据采集系统以D S P 最小系统为中心，完成基于高速A D 转换芯片A D 9 2 3 8的高速数据采集部分硬件电路设计和基于T M S 3 2 0 C 6 7 1 3D S P 的数字信
24、号处理部分最小硬件电路设计。最后采用基于L M S 算法的自适应滤波器来实现A D 采样信号前端去噪处理。主要研究内容和所做工作包括以下几个方面：(1)以高速A D 转换芯片A D 9 2 3 8 为核心，完成包含电源模块、运放驱动模块、F I F O模块、C P L D 控制模块和总线模块的高速数据采集部分的硬件电路设计，并完成P C B 的设计与制作；(2)以1 I 公司的T M S 3 2 0 C 6 7 1 3D S P 芯片为核心，完成包含电源模块、复位模块、时钟模块、E M I F 总线模块、仿真接口模块和总线模块的数字信号处理部分最小硬件电路设计。高速数据采集部分和数字信号处理部
25、分通过T e c h V 总线连接；(3)分析基于最小均方误差(L M S)算法的自适应滤波器在以T M S 3 2 0 C 6 7 1 3D S P 为核心的处理平台上的C 语言实现，在M A T L A B 下进行仿真，并在D S P 调试软件C C S 3 1 中完成算法的C 语言实现。由于本系统采用的T M S 3 2 0 C 6 0 0 0 系列D S P 是当今最先进的D S P 处理器，而T M S 3 2 0 C 6 7 1 3 又是1 1 公司T M S 3 2 0 C 6 7 x x 系列浮点D S P 中最新的一种芯片，也是1 1 公司T M S 3 2 0 家族中浮点运
26、算能力最强的一款D S P，其最高频率2 0 0 M H z，以及采用了A D 公司2 0 0 2 年生产的1 2 B i t 双通道6 5 M S P S A D 转换器和标准的T e c h v 总线设计数据采集处理系统，它可以为各种工业测控系统提供良好的硬件支持，并对A D 采样信号前端去噪提供了一个非常有用的方法，为研制更加完善的数据采集处理系统打下了坚实的基础。3内蒙古大学硕士学位论文第一章系统的整体设计思路1 1 高速数据采集处理系统一般设计要求高速数据采集处理系统一般设计要求如下：(1)至少两路同步采样即系统能进行多通道采样，而且单通道采样频率不低于2 0 M S P S(M i
27、 l l i o nS a m p l e sp e rS e c o n d)；(2)A D 位数：不小于1 2 b i t；(3)信号输入：要有足够的模拟电压带宽，能实时不掉点地采样多路信号；(4)系统要求具有可编程性：这个要求在实际应用中体现为，根据需要对采样信号实现不同的数字信号处理算法；(5)要求数据采集与数字信号处理可进行接口通信，并且接口具有足够的数据传输速率来满足实时性要求；(6)要有独立的逻辑控制模块进行高速数据采集和数字信号处理的同步和其他逻辑控制；(7)要有数据处理后的显示功能。图1-1 高速数据采集处理系统框图F i g 1-1T h eD i a g r a mo f
28、D a t aA c q u i s i t i o na n dP r o c e s s i n gS y s t e m4内蒙古人学硕上学位论文如图1-1 所示，根据上述指标要求高速数据采集处理系统由以下几个模块组成：信号前端处理模块、逻辑控制模块、D 转换模块、数字信号处理模块，显示模块等。(1)信号前端处理模块主要完成采集信号的A，D 采样前端处理，一般由整流电路、信号检波电路、滤波电路和动态调整电路组成；(2)逻辑控制模块主要完成系统采集和处理的同步控制和其他逻辑控制，其中同步控制是通过同步信号控制数据采集处理的各部分电路，使整个系统协调地工作；(3)D 转换模块主要完成信号的模数
29、转换，便于数字信号的处理，以得到各种有用的信息；0(4)数字信号处理模块主要完成接收信号的各种数字信号理论分析，包括离散信号的分析、信号的估值、信号的建模、滤波处理以及各种信号处理算法的实现，以达到提取有用信息和便于应用的目的；(5)显示模块主要完成处理后的波形显示或是由此波形得到所需结果的直接显示。1 2 本系统设计思路如图1 2 所示，本系统包含高速数据采集和数字信号处理两部分。两部分通过T e c h V 总。线连接。模拟输入信号通过差分驱动芯片A D 8 1 3 8 产生差分信号，再经过A D 公司生产的1 2位双通道6 5 M S P S 高速A D 转换芯片A D 9 2 3 8
30、进行模数转换，两通道的采集数据在F I F O 中暂存，最后通过C P L D 控制D S P 对F I F O 中的数据进行读取。数字信号处理部分是基于T I公司生产的C 6 0 0 0 系列高性能浮点型D S PT M S 3 2 0 C 6 7 1 3 为核心的最小系统。最后提出一种基于L M S 算法的自适应滤波器来实现A D 采样信号的前端去噪。采f。：?。：；高速数据采集部分；溆字信号处理部菇：图1-2 系统设计框图F i g 1-2T h eD e s i g nD i a g r a mo ft h eS y s t e m5塑鍪查奎兰婴：生堂篁堡茎对数据采集处理系统实时性的影
31、响有两个关键因素：第一，系统对数据的处理速度，它主要是指系统对信号进行数字信号处理的速度；第二，数据的传输带宽，即从数据采集部分到D S P 的数据传输速度，传输速度低，则采集数据不能实时进入D S P 而造成信息丢失。本系统通过采用高性能D S P，F I F O 和T c c h V 总线，很好的解决了上述两个问题。1 2 1 高速数据采集部分主要指标(1)6 5 M S P S 采样速率；(2)1 2 位A，D 采样位数；(3)双通道同步采样；(4)标准T e c h V 总线接口；(5)4 k 大小的F I F O 缓冲。1 2 2 数字信号处理部分主要指标(1)8 个并行3 2 位指
32、令周期，运行速度可达1 8 0 0 M I P S，2 0 0 M H z 时钟频率；(2)E M I F 接口外扩S D R A M 存储器和F l a s h 存储器；(3)标准T e c h V 总线接口；(4)J T A G 仿真器接口；(5)单电源供电(+5。第二章系统硬件电路设计系统的硬件电路设计包括高速数据采集部分的硬件电路设计和数字信号处理部分基于T M S 3 2 0 C 6 7 1 3D S P 的最小硬件电路设计，下面对两部分做详细的介绍。2 1 高速数据采集部分硬件电路设计高速数据采集部分包含以下几部分：电源电路、运放驱动电路、F I F O 电路、C P L D 控制
33、电路和总线电路。高速数据采集部分硬件电路框图如图2-1 所示。6内蒙古人学硕士学位论文A 路模拟输B 路模拟输图2-1 数据采集电路硬件框图F i g 2-1D i a g r a mo ft h eD a t aA c q u i s i t i o nH a r d w a r eS t r u c t u r e本设计采用A D 公司生产的高速A D 转换芯片A D 9 2 3 8，并采用A D 公司提供的运放驱动芯片A D 8 1 3 8 为A D 9 2 3 8 提供输入范围内的差分信号，为了实现数据采集与D S P 读取的速率匹配，采用了C y p r e s s 半导体公司生产的
34、型号为C Y 7 C 4 2 4 5 的同步H F O，时钟频率I O O M H z。选用a l t e r a 公司生产的M A X 7 0 0 0 A 系列E P M 7 2 5 6 A E 芯片完成系统逻辑控制。2 1 1 高速A D 转换器的选择在工业测控和一般超声检测领域，信号的频率都不会超过2 1 0 M H z，根据采样定理，采样频率最好是信号最高频率的3 5 倍。本设计A D 转换芯片采用A D 9 2 3 8 芯片，它是美国模拟器件公司D I)在2 0 0 2 年8 月推出的当时业界最快的1 2 位双通道模数转换器，最大采样速率达6 5 M S P S，可以满足要求。芯片坊
35、能框图如图2 2 所示。V n DD 附D DV 豫l+硐卜R E F r R E F B 一V R F0 H S E柏M oO E B o 刀t D 1 1 J E，O L M U X S E L E C TC U 一C U C BD C 3D F SP D W N P U W N BS H R E o R E Fo E B BO T I I L a G N DD R G N D图2 2 A D 9 2 3 8 功能框图F i g 2 2T h eF u n c t i o n a lB l o c kD i a g r a mo fA D 9 2 3 87BBBB器激内蒙古人学硕：L 学位
36、论文A D 9 2 3 8 是A D 公司推出的一款高性能快速A D 转换芯片，A D 9 2 3 8 芯片的特点如下【1 0】。(1)支持单极输入，封装模式为“脚的L O F P，体积很小；(2)单电源，低功耗。A D 9 2 3 8 只需要3 3 V 电压供电，在采样速率达6 5 M H z 时的功耗只有3 0 0 m W；(3)芯片内部提供稳定精确的电压参考；(4)提供两种可选择数据格式：偏移二进制或二进制补码；(5)每个A D C 通道都包含有1 个前端采样保持放大-器(S I-I A),(6)支持l V p P(峰峰值电压)和2 V p-P 的模拟输入范围。本系统设计的以A D 9
37、2 3 8 为核心的高速数据采集部分满足双通道同时采样。A D 9 2 3 8 两通道的采样时序如图2 3 所示。因为A D 9 2 3 8 的数据输出会有7 个时钟周期的流水线延迟，故开始采样后前7 个数据是无用的，应该在后端数字信号处理时舍弃掉。A D 9 2 3 8 两个通道的1 2 位数字信号输出(D OA D l lA 和D OB-一D l lB)是独立的。一般情况下，他们各自独立的输出转换结果。当把A D 9 2 3 8 两个通道的时钟输入C L KA、C L KB 和管脚M U XS E L E C T 连接在一起时，系统处于单通道输出工作状态。此时当时钟上升沿到来时，转换数据分
38、别送给各自对应的通道；当时钟下降沿到来时，转换数据分别送给相反的通道。这样在一个时钟周期内，数据结果可以从一个通道输出，另外一个不用的输出通道可以通过管脚O E BA(或O E BB)关闭掉。图2 3 A D 9 2 3 8 时序图F i g 2-3T i m i n gS e q u e n c eo fA D 9 2 3 82 1 2A D 驱动电路设计A D 8 1 3 8 是A D 公司生产的一款专门用于模数转换器的驱动器件，该器件具有较宽的模拟带宽，最高可达3 2 0 M H z。A D 8 1 3 8 管脚说明如表2-1 所示。8内蒙古大学硕士学位论文表2-1A D 8 13 8
39、管脚说明T a b l e 2 1T h eP i n F u n c t i o nD e s c r i p t i o no f A D 8 1 3 8管脚名称功能描述1I N反向输入2V o c m这点的电压与器件输出共模电压成1：1 的比例3V+正电源4+O U T正向输出5O U T反向输出6V-负电源7N C不连8+l N正向输入A D 8 1 3 8 实现单端输入差分输出，这种功能在现代高速模数转换电路中是非常有用的，因为绝大多数的高速A D 转换芯片都需要模拟输入信号为差分信号，虽然A D 9 2 3 8 也支持单端输入信号，但这样会使刖D 转换结果的二次谐波增大，降低信噪比
40、S N R。A D 8 1 3 8 可以很好地解决这个问题，其输入阻抗高达6 兆欧，完全可以直接与输入信号相连而不需要隔离放大器。A D 8 1 3 8 实现的硬件驱动电路如图2 4 所示。鼍图2-4 A D 9 2 3 8 驱动电路F i g 2-4T h eD r i v e rC i r c u i to f A D 9 2 3 89内蒙古人学硕：卜学位论文本电路由4 个5 0 0 欧的电阻建立了一个增益整体。即本电路没有放大功能。当在A D 8 1 3 8的V o c m 管脚加1 V 电压时，A D 8 1 3 8 两个输出端的共模电压为1 V。在仿真软件P r o t e u s
41、中利用电压探针得到的仿真结果如图2 5 所示。分别在输入、输出端口和电压提供端口设置电压探针，输入幅度为2 V 的模拟正弦电压，输出电压为：V o u t,d m=(n 删-旷劫(2 1)而输出电压的峰峰值(V p p)最大为2 V。?图2 5P r o t e u s 差分信号仿真F i g 2-5T h eD i f f e r e n t i a ls i g n a lS i m u l a t i o nB a s e do nP r o t e u s2 1 3 模拟输入与电压参考设计通过设置A D 采样芯片的电压参考，可以以电压参考为中心设置模拟输入电压范围。不同的A D 采样芯
42、片有不同的电压参考，即有不同的电压输入范围。本系统A，D 采样芯片A D 9 2 3 8 的模拟输入端(管脚2、3、1 4、1 5)是一个差分开关电容电路(S H A)，可以接收1,-一2 V p P范围的单端或者差分模拟输入信号。S H A 电路根据时钟信号选择处于采样模式或者是保持模式。在S H A 电路的每个输入端串接一个小的电阻可以减小从输出级驱动源产生的瞬时峰值电流，并接一个电容可以提供动态负载电流。这个无源网络组成了一个输入低通滤波器。R E F T和R E F B 分别提供了内部正负差分电压参考，定义了A D C 内核的电压范围。定义如下：R E F T=I 2(A V D D+
43、V R E F)(2 2)R E F B-1 2(A V D D-V R E F)(2 3)S p a n=2 x(R E F T-R E F B)=2 x V R E F(2 4)1 0内蒙古大学硕：仁学位论文其中A V D D(A D 9 2 3 8 模拟电源提供)为3 3 V，S p a n 为最大输入范围。内部电压参考(V R E F)的范围是0 5-。1 0 V，按照上述关系，外部电压输入范围为1 0 V p-p 2 0 V p-p。当A D 9 2 3 8 I 作在最大输入范围(2 V p P 模式)时，可以获得最大的R S N(信噪比)性能，当工作在1 V p-P 模式时，R S
44、 N 会下降3 d B。A D 9 2 3 8 可以采用单端或者差分模拟输入，当工作在差分输入模式时，会有比较好的性能。当A D 9 2 3 8 I 作在单端输入模式时，A D C 的性能会有所下降(女n S F D R 无寄生动态范围】和S N R 指标)，但是比较适合低成本的应用，这时还是可以保证比较好的性能。A D 9 2 3 8 内部有一个稳定精确的0 5 V 电压参考。调整A D 9 2 3 8 的参考电压可以改变输入信号范围，调整的方法有两种：内部参考和外部参考，输入范围根据参考电压的改变做线性变化。当把S E N S E(第9 脚)接地时，V R E F 被设置成1 V，此时器件
45、采用内部参考，输入信号范围为2 V p P。当把S E N S E(第9 脚)直接与V R E F 管脚连接时，输入信号范围为1 V p P。当把S E N S E管脚、V R E F 管脚和模拟地三者之间串接2 个电阻，假如分别为R 1 和R 2，参考电压按公式(2 5)进行设定：V R E F=0 5(1+R 2 R 1)(2 5)本系统电压参考的设置，主要是S E N S E 管脚、R E F T 管脚和R E F B 管脚的设置。由于A D 9 2 3 8对每个通道都提供了电压参考，如果采用共享电压参考模式可以取得较好的性能。本系统采用S H A R E DR E F 管脚(第6 2
46、脚)接高电平，两个通道的R E 丌和R E F B 管脚互相连接(N J R E F T接B；接B)。内部电压参考配置如图所示。_AREFrR E F BAR E F BA D 9 2 3 826图2-6 A D 9 2 3 8 内部电压参考配置F i g 2-6T h eI n t e r n a lV o l t a g eR e f e r e n c eC o n f i g u r a t i o n2 1 4 时钟电路设计本系统A，D 转换芯片A D 9 2 3 8 采样速率最高可达6 5 M S P S，时钟电路的设计为A D 转换芯片内蒙古大学硕上学位论文提供可靠的时钟输入，为
47、了充分的利用芯片，本系统为A D 9 2 3 8 提供最大允许时钟输入。一般高速A D C 对时钟的占空比很敏感，一般来说需要有5 0(5)的占空比。A D 9 2 3 8 给每个通道单独提供时钟(管脚C L KA 和C L KB)，当两个通道的采样时钟同频同相时会有比较好的性能，当两个通道不同步时性能会有所下降。A D 9 2 3 8 6 5 内部有两个时钟占空比调节器，可以将占空比调整至U 5 0(当使能D C S 管脚时)。时钟信号的电源驱动和输出数字信号驱动需要分开，以避免混入数字噪声。时钟信号的孔径抖动对A D C 的性能影响较大，故需采用抖动比较小的晶振作为时钟源。A D 9 2
48、3 8 的最高时钟频率为6 5 M H z，最低的时钟频率为1 M H z，当时钟频率低于1 M H z 时动态性能会下降。本系统采用6 5 M H z 晶振与1 6 进制反相器7 4 V H C 0 4 相连。晶振通过7 4 V H C 0 4 的一路反相器与C P L D 的时钟输入连接，通过编写程序代码，由C P L D输出时钟通过另一路反相器为A D 9 2 3 8 提供时钟输入，两个通道此处采用同频同向输入时钟，电路图如图2 7 所示：忱cL 17 V H C O 图2-7 数据采集部分时钟电路F i g 2 7T h eC l o c kC i r c u i to fD a t
49、aA c q u i s i t i o nM o d u l e2 1 5 电源与接地设计A D 9 2 3 8 供电电压范围为2 5-,3 6 V。本系统采用3 3 V 供电。本系统的设计属于模拟数字混合高速电路设计，故模拟地和数字地应分开设置，并通过磁珠进行分割。A D 9 2 3 8 具有2 种接地管脚：A G N D(第1，4，1 3，1 6 管脚)和D R G N D(第2 8，4 0，5 3 管脚)。模拟地(A G N D)用作模拟信号的参考地，整个系统的模拟地应该尽量靠近这些管脚。数字地(D R G N D)用做芯片数字部分对地电流的回路。在模拟电源和模拟地之间应该用4 组旁路
50、电路隔离开(每组有2 个0 0 0 1uF 和0 1l lF 的电容)，在数字电源和数字地之间用3 组旁路电路隔离开(每组有2 个0 0 0 1uF 和0 1uF 的电容)。A D 9 2 3 8 每个通道可以独立地工作在休眠模式(通过使能管脚P W D NA 和P W D NB 进行配置)，在这种模式下器件功耗很低。本系统A D 8 1 3 8 采用5 V 供电。A D 9 2 3 8 电源提供分为模拟电源提供和数字电源提供，本塑茎直查兰堡圭堂垡笙茎系统数字供电和模拟供电都采用3 3 V。如果采用A D 9 2 3 8 也支持的2 5 V 数字供电，这样可以减少功耗，但为了减小电源部分设计的