基于VME總線的八通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計【精品畢業(yè)論文】 .pdf

湖南大學(xué) 碩士學(xué)位論文 基于vme總線的八通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計 姓名：席仙梅 申請學(xué)位級別：碩士 專業(yè)：微電子學(xué)與固體電子學(xué) 指導(dǎo)教師：曾云 20080408 碩士學(xué)位論文 摘要 高能物理實驗主要研究粒子的能量、動量、時間量和徑跡的空間位置等，而 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)就是研究如何處理和分析核探測器給出的電信號，是核儀器數(shù)字化 的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，同時也是數(shù)字信號處理不可缺少的部分。在能譜測量當(dāng)中，核輻射 探測器輸出的脈沖信號幅度與入射粒子的能量成正比關(guān)系，因此測量這些脈沖的 幅度就可以知道輻射的能量。本論文所要完成的工作正是基于這一原理展開的。 本文設(shè)計了一種基于v m e 總線的八通道數(shù)據(jù)采集插件。該插件將從探測器 出來的信號經(jīng)過放大、濾波成形后，用a d c 對其進(jìn)行等間隔地取樣，得到一系 列數(shù)字化的取樣值，然后將數(shù)字化的結(jié)果送入f p g a 中，通過f p g a 進(jìn)行電路控 制，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的串并轉(zhuǎn)換、存儲、判選、尋峰和高速數(shù)據(jù)緩存，最后將處理結(jié)果 通過v m e 、以太網(wǎng)送入在線計算機(jī)進(jìn)行分析和進(jìn)一步處理。 本文給出了v m e 總線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的整體方案，系統(tǒng)總體硬件電路方案的 設(shè)計包括模擬部分、數(shù)字部分及其它硬件接口電路的設(shè)計。在可編程邏輯器件的 硬件邏輯功能設(shè)計中，采用v e r i l o g 語言描述各個模塊，并對各個模塊完成了 v e r i l o g 輸入、功能仿真、邏輯綜合、適配分割、布局布線、時序仿真、編程測試。 完成了v m e 總線數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪壿嬙O(shè)計，并用狀態(tài)機(jī)實現(xiàn)了v m e 總線a 2 4 d 1 6 數(shù)據(jù)傳輸功能，并編寫了測試程序進(jìn)行檢測，能夠正常傳輸數(shù)據(jù)。 通過實驗研制和系統(tǒng)調(diào)試設(shè)計，電路性能良好、邏輯功能具有很強(qiáng)的可編程 性。測試結(jié)果表明：該電路能夠以足夠的精度完成對模擬信號的實時提取。 關(guān)鍵字：數(shù)據(jù)采集；a d c ；f p g a ；v m e 總線 碩士學(xué)位論文 a b s t r a c t t h ep u r p o s eo ft h eh i g he n e r g yp h y s i c se x p e r i m e n ti st om e a s u r et h e e n e r g y m o m e n t u m ，t h ep o s i t i o na n ds oo no f p a n i c l e s t a k e so ft h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m i st o p r o c e s sa n da n a l y z et h es i g n a lw h i c hc o m ef r o mt h ed e t e c t o r t h ed a t a a c q u i s i t i o ni sap i v o t a lp a r to fd i g i t i z a t i o no fn u c l e a ri n s t r u m e n t sa n da na b s 0 1 u t e l v n e c e s s a r yc o m p o n e n to fd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g t h es i g n a l sp u l s eh e i g h ti si n s c a l eo ft h ep a r t i c l ee n e r g y ；t h e r e f - o r em e a s u r i n gt h es i g n a lp u l s eh e i g h tc a nt e l lu st h e e n e r g y t h i sp a p e rd i s c u s s e sa n e i g h t - c h a n n e ld a t aa c q u i s i t i o nm o d u l eb a s e do n v m e b u s t h em o d u l ea m p l i n e sa n df i l t e r st h es i g n a lw h i c hc o m ef r o mt h ed e t e c t o r a n du s i n ga d ct os a m p l ei tt og e td i g i t a l s i g n a l ，a n dt h e ns e n dt h ed i g i t a ld a t at o f p g a e m p h a s i z i n gp a r t i c u l a r l yo nd e s c r i b i n gt h ep r i n c i p l eo fh o wt od e c a d es e r i a l d a t at op a r a l l e ld a t ai m p l e m e n t e db yf p g a ，i n c l u d i n gp e a kf i n d i n g ，p i p e l i n ed a t a b u f f e ri m p l e m e n t a t i o n a tl a s tf p g as e n d sd a t at ot h ec o m p u t e rv i av m e b u s t h eo v e r a l ls c h e m eo ft h ev m e b u sd a t a a c q u i s i t i o ns y s t e mi sg i v e ni nt h ep a p e r s y s t e m sh a r d w a r ep r o g r a mh a sb e e nd e s i g n e d ；i n c l u d ea n a l o gc i r c u i tp a r t ，d i g i t a l c i r c u i tp a r ta n do t h e rh a r d w a r ec i r c u i ti n t e r f a c e h a r d w a r e1 0 9 i co ff p g ai ns y s t e m h a sb e e nd e s i g n e dw i t hv e r i l o gl a n g u a g e ，a n de a c hm o d u l ea l s oi sd e s c r i b e di nd e t a i l ： i n c l u d ev e r i l o gl a n g u a g ei n p u t ，l o g i cs i m u l a t i o n ，d e s i g nc o n l p i l e ra n ds oo n t h ed a t a t r a n s m i s s i o nl o g i cd e s i g no ft h ev m e b u si sa c c o m p l i s h e d ，a n da 2 4 d16 v m e b u sd a t a t r a n s f e rf u n c t i o ni sr e a l i z e du s i n gs t a t em a c h i n e t h et e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h ed a t a a c q u i s i t i o ns y s t e mh a sa c h i e v e dg o o d p e r f o r m a n c ee x p e c t e d a n di t sl o g i cf u n c t i o n sa r ef u l lp r o g r a m m a b l e t h ec o n c l u s i o n i st h a ti ti sp o s s i b l et od i g i t i z ea n a l o gs i g n a l sw i t hn oe x t r ad e a dt i m e k e yw o r d s ： d a t aa c q u i s i t i o n ；a d c ；f p g a ；v m e b u s i i i 湖南大學(xué) 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的 研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或 集體己經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個人和集體，均 已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。 作者簽名：席仙梅日期：2 0 d 譬年j 月2 2 日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保 留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。 本人授權(quán)湖南大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢 索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。 本學(xué)位論文屬于 1 、保密口，在年解密后適用本授權(quán)書。 2 、不保密戰(zhàn) ( 請在以上相應(yīng)方框內(nèi)打“”) 作者簽名： 導(dǎo)師簽名： 日期：2 d p 鏟年，月2 9 日 日期：沙苫年廠月魂日 碩士學(xué)位論文 1 1 研究的目的和意義 第1 章緒論 高能物理，又稱粒子物理，是以物質(zhì)的最小組成單元的性質(zhì)及其相互作用規(guī) 律作為研究對象的一門前沿科學(xué)【l 】。 自古以來，人們就想揭示物質(zhì)結(jié)構(gòu)的奧秘，經(jīng)過數(shù)千年的探索，特別是近百 年以來的科學(xué)實驗，人們才意識到物質(zhì)是由分子和原子構(gòu)成的。原子的中心是原 子核，原子的外層是電子，原子核是由質(zhì)子跟中子構(gòu)成的。探索比原子核更小的 微觀粒子及其性質(zhì)，就落在高能物理的身上。近4 0 多年來，隨著高能物理的發(fā)展， 使人們對微觀粒子的了解逐漸深入，對物質(zhì)結(jié)構(gòu)的了解由原子核層次進(jìn)入到夸克 層次1 2 j ?，F(xiàn)在我們知道，已知的物質(zhì)是由1 2 種基本粒子及其反粒子組成，它們是 6 種夸克和6 種輕子及其反粒子。 當(dāng)前的粒子物理實驗可以概括為粒子源、探測器裝置、數(shù)據(jù)分析三個組成部 分。近年來，粒子物理實驗在世界上一些科技強(qiáng)國始終在持續(xù)向前發(fā)展，這主要 歸功于粒子加速器和粒子探測器的不斷發(fā)展。與此同時，作為高能物理試驗中探 測器系統(tǒng)的重要組成部分，即用以對高能微觀粒子在對撞反應(yīng)中所產(chǎn)生的大量電 信號進(jìn)行獲取和處理的高能物理讀出電子學(xué)系統(tǒng)，也在不斷的快速向前發(fā)展。在 粒子試驗中，讀出電子學(xué)系統(tǒng)的主要任務(wù)是放大核輻射探測器的輸出信號，同時 進(jìn)行幅度、時間和頻譜方面的篩選，抑制噪聲跟干擾，以便盡可能精確地得到射 線能量、核事件發(fā)生時間和位置等有用信息，并且轉(zhuǎn)換成為可以被計算機(jī)系統(tǒng)處 理的數(shù)據(jù)。 當(dāng)今高能物理中的高能加速器對撞實驗有兩種發(fā)展趨勢。其一為采用更高的 工作能量，在高能量下尋找新粒子，發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象。這以正在歐洲核子中心( c e r n ) 建造中的大型強(qiáng)子對撞機(jī)l h c 【3 j 為代表。l h c 以尋找標(biāo)準(zhǔn)模型【4 】中的h i g g s 粒子 和探索新物理為目標(biāo)。其二為高精度前沿，即在某一特定能量下提高對撞亮度， 產(chǎn)生大量的某類粒子( 被形象地稱之為粒子工廠) ，并在底本環(huán)境下( 通常采用正 負(fù)電子對撞) 使用高分辨率的探測器進(jìn)行細(xì)致精確地測量，以檢測現(xiàn)有模型發(fā)展 新理論。這其中有已經(jīng)建成的以研究c p 破壞為主要目標(biāo)的p e pi i 【5 】b a b a r 【6 】和 k e k b 【7 1 b e l l e 【8 1 兩座b 介子工廠以及d a n e 【9 1 k l o e 【1 0 1 m 介子工廠，以及北京 正負(fù)電子對撞機(jī)( b e p ci i ) 也屬于這一高精度行列。北京正負(fù)電子對撞機(jī)( b e p c ) 是中國第一臺高能粒子加速器，于1 9 8 8 年1 0 月建成【1 1 】。北京譜儀( b e s ) 【1 2 】 則是工作在北京正負(fù)電子對撞機(jī)上的大型通用磁譜儀，用于2 8 5 6 g e v 能區(qū)的高 能物理研究。1 9 9 6 年對撞機(jī)和探測器均進(jìn)行了升級改造( 對撞機(jī)仍稱為b e p c 而譜儀則成為b e si i ) ，使性能有了相當(dāng)大的改進(jìn)。2 0 0 8 年1 月完成了b e p ci i 基于v 總線的八通道數(shù)據(jù)采集插件的設(shè)計 b e s i i i 的安裝，目前正在進(jìn)行調(diào)試，其物理目標(biāo)為t 粲能區(qū)的精確測量和新物理 的尋找。升級后的b e p ci i 是一個多束團(tuán)高亮度的雙環(huán)對撞機(jī)，將繼續(xù)工作在t 粲能區(qū)，亮度提高到10 3 3 c m 七s d ( e = 3 7 8 g e v ) 。與之相應(yīng)，升級后的b e s i i i 探測 器將大幅度提高測量精度，與b e p ci i 的高事例率相匹配，滿足精度測量的要求。 因此對于高精度前沿，要求加速器不斷朝更高能量，更大亮度的方向發(fā)展，探測 器的精度要求也越來越高，結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜，從而使得讀出電子學(xué)系統(tǒng)必須朝 著高精度、高速度、高集成度等方向發(fā)展，傳統(tǒng)的模擬電路測量系統(tǒng)難以滿足以 上要求，而數(shù)字化技術(shù)以其穩(wěn)定性、靈活性、高速度、體積小、低成本等特點成 為高速讀出電子學(xué)系統(tǒng)發(fā)展的新方向。數(shù)據(jù)采集應(yīng)用于高能物理實驗始于2 0 世紀(jì) 8 0 年代，它是高能物理實驗當(dāng)中一種重要的獲取被測粒子信息的方法。它首先通 過高速a d 轉(zhuǎn)換器將探測器輸出波形連續(xù)地瞬間取樣并數(shù)字化，再根據(jù)不同測量 要求，從數(shù)字化結(jié)果中提取感興趣地物理信息【l 引。它最大的優(yōu)點是通過j 次測量 可以獲得粒子的多重信息，而且它能夠把兩個相距較近的信號記錄并區(qū)分開來， 這對于在高亮度實驗條件下對多次命中事例的測量是非常重要的。近年來隨著超 大規(guī)模集成電路的飛速發(fā)展a d c 和f p g a 的性能不斷提高，價格不斷下降，以 及以太網(wǎng)等高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的發(fā)展，使得高采樣率、低功耗、低成本的數(shù)據(jù)采 樣系統(tǒng)成為可能。 隨著科學(xué)的發(fā)展，高能加速器的亮度越來越高，使得讀出電子學(xué)系統(tǒng)要處理 的信息量大為增加，因此對于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣速度要求也越來越高： ( 1 ) 核信號速度的提高對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的速度指標(biāo)提出了越來越高的要求： 高能物理加速器的微脈沖信號，時間精度在幾十皮秒；高能物理中的飛行計數(shù)器 的探測器通常由快發(fā)光塑料閃爍體和快光電倍增管組成，大面積的可以做到 1 0 0 p s 的時間分辨率。如果要準(zhǔn)確探測高速核信號，沒有足夠高的采樣率的數(shù)據(jù) 采集系統(tǒng)是不可能的。 ( 2 ) 提高了信號的分辨率和波形的甄別能力的要求，而且信號的信噪比和時 間精度也要得到提高。 ( 3 ) 隨著探測器的不斷發(fā)展，所需要的電子學(xué)系統(tǒng)越來越龐大，讀出電子學(xué) 通道數(shù)以萬計，甚至達(dá)到幾十萬，上百萬路電子學(xué)通道。如此高速、大流量的數(shù) 據(jù)傳輸要求使用最先進(jìn)的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。 1 2 高速數(shù)據(jù)采集 隨著科學(xué)的發(fā)展，信號的速度越來越快，對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求也就越來越 高，高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有助于更深入、準(zhǔn)確地了解物理量的變化，提高測量精度， 探索事物的本質(zhì)，因此高速數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)有著廣闊的應(yīng)用空間。 1 2 1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成 隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展與普及，數(shù)字設(shè)備正越來越多地取代模擬設(shè)備，在生 2 碩士學(xué)位論文 產(chǎn)過程控制和科學(xué)研究等廣泛的領(lǐng)域中，計算機(jī)測控技術(shù)正發(fā)揮著越來越重要的 作用。然而，外部世界的大部分信息是以連續(xù)變化的物理量形式出現(xiàn)的，例如溫 度、壓力、位移、速度等。數(shù)據(jù)采集( d a t ea c q u i s i t i o n ) 就是將被測對象( 外部 世界、現(xiàn)場) 的各種參量( 可以是物理量，也可以是化學(xué)量、生物量等) 通過各 種傳感元件做適當(dāng)轉(zhuǎn)換后，再經(jīng)信號調(diào)理、采樣、量化、編碼、傳輸?shù)炔襟E，最 后送到控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理或存儲記錄的過程。用于數(shù)據(jù)采集的成套設(shè)備稱為數(shù) 據(jù)采集系統(tǒng)( d a t ea c q u i s i t i o ns y s t e m ，d a s ) 1 1 4 j 。 圖1 1 是一個核信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的框圖。它主要由七個部分組成。 探測器 前置 + 放大器 圖1 1 核信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖 第一部分是探測器。許多產(chǎn)生電信號的核輻射探測器都是利用射線和物質(zhì)的 相互作用，通過電離、激發(fā)或光電轉(zhuǎn)換等效應(yīng)來得到電荷的。收集這些電荷就得 到電流或電壓信號，從而可以用采集系統(tǒng)分析這些信號。因為探測器部分不屬于 本篇論文論述的內(nèi)容，所以在此就不做詳細(xì)的介紹。 第二部分是前置放大器。核輻射測量中，探測器輸出的信號往往比較小，需 要加以放大再進(jìn)行測量。前置放大器的主要作用如下：第一，提高系統(tǒng)的信噪比。 第二，減小信號經(jīng)電纜傳送時外界干擾的影響。其位置緊鄰探測器，因本篇論文 所設(shè)計的采樣系統(tǒng)并不包括前放部分，所以在此也不做詳細(xì)的介紹。 第三部分是成形電路。由前置放大器送來的信號只是進(jìn)行了初步的放大，波 形無法滿足電荷測量的要求，不能直接用于電荷測量，因此在本論文中采用了數(shù) 值積分法作為方案，對前放送來的信號經(jīng)過放大成形處理后再通過a d c 進(jìn)行采 樣，成形的主要目的是對前放信號放大、濾波成形，以提高信噪比及保證對峰值 的取樣精度，使波形平滑來減少因數(shù)字化造成的誤差，限制波形寬度以減少波形 堆積的概率。 第四部分是a d 轉(zhuǎn)換器電路。a d 轉(zhuǎn)換器是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心，擔(dān)負(fù)著將 模擬信號變換成適合計算機(jī)數(shù)字處理的二進(jìn)制代碼的任務(wù)，它是連接模擬信號和 數(shù)字儀器、數(shù)字設(shè)備、數(shù)字計算機(jī)或其它數(shù)據(jù)系統(tǒng)之間聯(lián)系的橋梁，其轉(zhuǎn)換過程 的實質(zhì)是將模擬信號進(jìn)行幅值量化的過程。a d c 是影響數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采樣速率和 基于v m e 總線的八通道數(shù)據(jù)采集插件的設(shè)計 精度的主要因素之一。 第五部分是數(shù)據(jù)緩存和預(yù)處理電路。將a d c 輸出的數(shù)據(jù)信號在讀入計算機(jī)或 其它處理設(shè)備之前加以預(yù)處理和緩存，既有利于減少無用信息量，降低傳輸壓力， 又便于計算機(jī)將數(shù)據(jù)平緩連續(xù)地讀入。 第六部分是時序邏輯控制電路。其可以控制采樣保持電路、a d c 電路和數(shù)據(jù) 緩存預(yù)處理電路的工作順序，并實現(xiàn)與計算機(jī)間的通訊，使得數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確的采 樣、轉(zhuǎn)換和傳輸。 第七部分是接口電路。緩存區(qū)的數(shù)據(jù)通過接口電路傳輸至計算機(jī)等設(shè)備。 1 2 2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要性能指標(biāo) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能指標(biāo)主要以下幾個： 1 系統(tǒng)分辨率 系統(tǒng)分辨率是指數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以分辨的輸入信號的最小變化量。通常可以 使用如下幾種方法表示系統(tǒng)的分辨率： ( 1 ) 使用系統(tǒng)所采用的a d 轉(zhuǎn)換器的位數(shù)表示系統(tǒng)的分辨率； ( 2 ) 使用最低有效位( l s b ) 占系統(tǒng)滿度值的百分比表示系統(tǒng)分辨率； ( 3 ) 使用系統(tǒng)可分辨的實際電壓數(shù)值表示系統(tǒng)分辨率； ( 4 ) 使用滿度值可以分的級數(shù)表示系統(tǒng)分辨率。 表1 1 示出了滿度值為3 3 v 時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的分辨率。 表1 1 系統(tǒng)的分辨率 1 l s b1 l s b 位數(shù)級數(shù) ( 滿度值百分?jǐn)?shù)) ( 3 3 v 滿度) 82 5 60 3 9 1 1 2 9 m v 1 24 0 9 60 0 2 4 4 o 8m v 1 66 5 5 3 6o 0 0 1 5 o 0 5m v 2 01 0 4 8 5 7 60 0 0 0 0 9 5 3 1 4 “v 2 41 6 7 7 7 2 16o 0 0 0 0 0 6 o 1 9 肛v 系統(tǒng)精度是指當(dāng)系統(tǒng)工作在額定采集數(shù)率下，每個離散子樣的轉(zhuǎn)換精度。模 數(shù)轉(zhuǎn)換的精度是系統(tǒng)精度極限值。實際的情況是，系統(tǒng)精度往往達(dá)不到模數(shù)轉(zhuǎn)換 的精度，這是因為系統(tǒng)精度取決于系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)( 部件) 的精度，如前置放大 器、濾波器、模擬多路開關(guān)等。只有這些部件的精度都明顯優(yōu)于a d 轉(zhuǎn)換器精度 時，系統(tǒng)精度才能達(dá)到a d 的精度。這里還應(yīng)注意系統(tǒng)精度于系統(tǒng)分辨率的區(qū)別。 系統(tǒng)精度是系統(tǒng)的實際輸出值與理論輸出值之差，它是系統(tǒng)各種誤差的總和。通 常表示為滿度值的百分?jǐn)?shù)。 2 系統(tǒng)精度 系統(tǒng)精度是指當(dāng)系統(tǒng)工作在額定采集數(shù)率下，每個離散子樣的轉(zhuǎn)換精度。模 數(shù)轉(zhuǎn)換的精度是系統(tǒng)精度極限值。實際的情況是，系統(tǒng)精度往往達(dá)不到模數(shù)轉(zhuǎn)換 4 碩士學(xué)位論文 的精度，這是因為系統(tǒng)精度取決于系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)( 部件) 的精度，如前置放大 器、濾波器、模擬多路開關(guān)等。只有這些部件的精度都明顯優(yōu)于a d 轉(zhuǎn)換器精度 時，系統(tǒng)精度才能達(dá)到a d 的精度。這里還應(yīng)注意系統(tǒng)精度于系統(tǒng)分辨率的區(qū)別。 系統(tǒng)精度是系統(tǒng)的實際輸出值與理論輸出值之差，它是系統(tǒng)各種誤差的總和。通 常表示為滿度值的百分?jǐn)?shù)。 3 采樣速率 采樣速率又稱為系統(tǒng)通過速率或吞吐率，是指在滿足系統(tǒng)精度指標(biāo)的前提下， 系統(tǒng)對輸入的模擬信號在單位時間內(nèi)所能完成的采樣次數(shù)，或者說是系統(tǒng)每個通 道，每秒鐘可采集的有效數(shù)據(jù)的數(shù)量。 4 動態(tài)范圍 動態(tài)范圍是指某個確定的物理量的變化范圍。信號的動態(tài)范圍是指信號的最 大的幅值和最小的幅值之比的分貝數(shù)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的動態(tài)范圍通常定義為所允 許輸入的最大的幅值與最小的幅值之比的分貝數(shù)，即 = 2 0 l g u 喇u 曲 ( 2 1 ) 式中，最大允許輸入的幅值渤甜是指數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的放大器發(fā)生飽和或者 使a d 轉(zhuǎn)換器發(fā)生溢出的最小輸入幅值。最小允許輸入的幅值砌一般用等效 輸入噪聲電平來代替。 5 非線性失真 非線性失真也稱諧波失真。當(dāng)給系統(tǒng)輸入一個頻率為廠的正弦波時，其輸出 中出現(xiàn)很多頻率為妖k 為正整數(shù)) 的新的頻率分量，這種現(xiàn)象成為非線性失真【1 5 】。 1 2 3l v d s 技術(shù) 低電壓擺幅的差分信號( l o wv r o l t a g ed i f f e r e n t i a ls i g n a l i n g ，l v d s ) 接口又稱 r s 6 4 4 總線接口，是2 0 世紀(jì)9 0 年代才出現(xiàn)的一種數(shù)據(jù)傳輸和接口技術(shù)【16 1 。它使 得數(shù)據(jù)能在差分傳輸線對或平衡電纜上以幾百兆比特秒的速率傳輸。l v d s 接口 具有以下特點： 高傳輸能力：l v d s 最大傳輸速率6 5 5 m b s ，無失真通道上的理論極限速 率為1 9 2 3 g b s ； 低噪聲低電磁干擾； 低功耗和低擺幅。 如下圖1 2 所示，其驅(qū)動器由一個恒流源( 通常為3 5 m a ) 驅(qū)動一對差分信號線 組成。在接收端有一個高的直流輸入阻抗( 幾乎不會消耗電流) ，所以幾乎全部的 驅(qū)動電流將流經(jīng)1 0 0 q 的匹配電阻，并在接收器的輸入端產(chǎn)生大約3 5 0 m v 的電壓。 當(dāng)驅(qū)動狀態(tài)反轉(zhuǎn)時，流經(jīng)電阻的電流方向改變，于是在接收端產(chǎn)生一個有效的“0 ” 或“l(fā) ”邏輯狀態(tài)。 5 基于v m e 總線的八通道數(shù)據(jù)采集插件的設(shè)計 圖1 2l v d s 原理簡圖 1 2 4 采樣定理 r e c d v e r 設(shè)有連續(xù)信號x 俐，其頻譜為x ，以采樣周期乃采得的采樣信號為m 刪。如 果頻譜。珊和采樣周期滿足下列條件： ( 1 ) 頻譜坳，為有限頻譜，即當(dāng)i 廠i 虢( 為截止頻率) 時，砌= 0 ( 2 ) 乃冬1 2 尼或2 尼s l 乃i 居 則連續(xù)信號唯一確定。尼就是采樣時間內(nèi)間隔內(nèi)能辨認(rèn)的信號的最高頻率， 稱為截止頻率，又稱為奈奎斯特頻率【l7 1 。 1 2 5 高速數(shù)據(jù)采集技術(shù)的發(fā)展近況 現(xiàn)在人們對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求越來越高，特別是在一些需要在極短時間內(nèi) 完成大量數(shù)據(jù)采集，進(jìn)行實時處理的場合，對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的速度提出了非常高 的要求。相應(yīng)的，人們對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的存儲能力，接口能力以及抗干擾能力也 提出了更高的要求，這是數(shù)據(jù)采集發(fā)展的方向。 隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，模擬器件也正朝著高速度、高精度、小封裝和低成 本的方向發(fā)展。其中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心器件a d 轉(zhuǎn)換器的性能也得到極大的提 高。測量業(yè)界的兩大巨頭安捷倫公司和泰克公司相繼開發(fā)出了采樣速率超過 5 g s s 的專用芯片。其中安捷倫公司利用2 0 個2 5 0 m s s 的8 位分辨率a d 組合 成5 g s s 的a d ，泰克公司利用第三代技術(shù)的“7 h p ”制程，制成取樣率8 g s s 、 1 0 g s s 和2 0 g s s 的分辨率8 位a d c 。盡管測量儀器供應(yīng)商在2 0 0 0 年即開始使 用取樣率2 g s s 的a d ，但是由于這些芯片都是用戶定制的專用i c ，不會出現(xiàn)在 半導(dǎo)體元件的銷售市場貨架上。直到2 0 0 5 年，m a x i m 、n s 和a t m e l 三家在技術(shù) 得到突破，相繼推出取樣率1 g s s 、1 5 g s s 、2 g s s 分辨率8 位和l o 位的通用 a d 芯片，這也就使得高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實現(xiàn)成為可能。m a x i m 公司的 m a x l 0 4 1 0 6 1 0 8 ，最高取樣率1 5 g s s ，分辨率為8 位，模擬輸入帶寬2 0 g h z 【”】。 n s 公司的a d c 0 8 d 5 0 0 1 0 0 0 1 5 0 0 ，最高取樣率1 5 g s s 分辨率8 位，雙路模擬輸 6 碩士學(xué)位論文 入帶寬1 7 g h z l ”j 。a t m e l 公司的a t 8 4 a s 0 0 3 0 0 4 ，最高取樣率2 g s s ，分辨率l o 位，模擬輸入帶寬3 o g h z 【2 0 j 。 用中、小規(guī)模元器件和d s p 可以實現(xiàn)邏輯控制和數(shù)據(jù)處理功能，但很難滿足 系統(tǒng)集成化的要求，高速高密度的現(xiàn)場可編程邏輯陣列( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t e a r r a y ，f p g a ) 使得系統(tǒng)設(shè)計變得簡單可行。f p g a 是一種新型高性能的可編程器 件，其器件密度最高可達(dá)數(shù)千萬門，可以完成極其復(fù)雜的時序和組合邏輯電路功 能。例如x i l i n x 公司的v i r t e x 5 系列f p g a 支持1 2 5 g b s 雙數(shù)據(jù)速率和8 0 0 m b s 單端信號傳輸，高性能s e l e c ti o 特性提供了到6 6 7 m b sd d r 2s d r a m 和 1 2 0 0 m b sq d ri is r a m 等外部存儲器的高速連接。 目前，國外已經(jīng)開發(fā)出一些超高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)產(chǎn)品，其應(yīng)用領(lǐng)域涉及雷達(dá)、 通信、測控、醫(yī)療、高能物理等諸多領(lǐng)域。u l t r a v i e w 公司的a d 8 1 5 0 0 d m a 的數(shù) 據(jù)采集板能以1 5 g s s 的速率連續(xù)采集，并能存儲最大16 0 億無中斷模擬數(shù)據(jù)。 a c q u i s i t i o n l o g i c 公司的a l 8 1 g 的8 b i ta d 板卡采樣率高達(dá)1 g s s ，帶寬為 3 5 0 m h z 。國內(nèi)在高速數(shù)據(jù)采集方面，還沒有產(chǎn)品出現(xiàn)，正處于研發(fā)階段。 1 3 論文的主要工作和結(jié)構(gòu)安排 基于a d c 的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)用于高能物理已經(jīng)有二十幾年的歷史，它是 高能物理實驗當(dāng)中一種重要的獲取被測粒子信息的方法【2 1 2 2 1 。在北京譜儀( b e s i i i ) 電子學(xué)系統(tǒng)中，電磁量能器讀出電子學(xué)采用了a d i 公司的雙路并行輸出的 a d 9 2 0 1 ，主漂移室讀出電子學(xué)采用的是a d i 公司的單路并行輸出的a d 9 2 1 5 。近 年來隨著技術(shù)的發(fā)展單通道的a d c 功耗大大降低，而且從早些年的每片1 3 通 道到現(xiàn)在的每片8 通道或更多，數(shù)據(jù)輸出由t t l 電平變成l v d s 電平，大大提高 了數(shù)據(jù)傳輸速率，數(shù)據(jù)輸出由并行輸出變?yōu)榇休敵?。采用串行輸出的a d c ，大 大減少了電路板上a d c 和f p g a 之間的連線數(shù)目( 由原來的10 12 條減少到兩 條) ，降低了p c b 設(shè)計的復(fù)雜程度和對f p g a 管腳數(shù)目的要求【23 1 。 本論文正是基于上述背景下，采用了8 通道串行輸出的a d ca d s 5 2 7 1 芯片 完成了基于12 b i t6 0 0 m s p s8 通道串行a d c 高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計、制作和調(diào) 試工作。 論文的結(jié)構(gòu)如下： 第1 章緒論，概述了核信號探測中的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的必要性；接著介紹了高 速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本組成和主要性能指標(biāo)；然后介紹了采樣定理、l v d s 技術(shù) 等相關(guān)技術(shù)；最后介紹了國外高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)展近況，第2 章詳細(xì)介紹了 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計，先介紹整體系統(tǒng)的設(shè)計思想，然后按照功能分別 對各個部分加以介紹，包括信號調(diào)理電路、a d c 轉(zhuǎn)換電路、時鐘處理電路、f p g a 數(shù)據(jù)處理電路和v m e 總線電路等部分。本章詳細(xì)介紹了各部分的結(jié)構(gòu)和功能， 并介紹了各個部分主要芯片的性能。第3 章主要介紹了高速p c b 電路板的設(shè)計， 從信號完整性、電源完整性和e m c 三個部分加以說明。第4 章介紹了f p g a 的 7 基于v m e 總線的八通道數(shù)據(jù)采集插件的設(shè)計 開發(fā)過程。本論文采用的是x i l i n x 公司的v i r t e xi i 系列的x c 2 v 5 0 0 芯片，本章 介紹了其軟件開發(fā)環(huán)境i s e 7 1 i 軟件，以及f p g a 內(nèi)部各邏輯功能電路的設(shè)計與 仿真。第5 章介紹系統(tǒng)各個部分的調(diào)試。本章介紹在一定的條件下，測試系統(tǒng)各 個部分的主要性能。最后為總結(jié)和對今后工作的展望。 8 碩士學(xué)位論文 第2 章數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計 在核物理實驗中，常常不是研究個別信號的信息，而是研究分布在大量信號 中某種信息。因此需要將大量信號按一定的信息分類技數(shù)。按幅度信息分類叫做 幅度分析，按時間信息分類就做時間分析。為了分類計數(shù)，需先把幅度、時間信 息變換為數(shù)碼，然后按照數(shù)碼進(jìn)行分類。這就需要幅度數(shù)字變換電路。本插件設(shè) 計的就是用于幅度甄別的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。 圖2 1 給出了基于a d s 5 2 7 15 0m s p s1 2b i ta d c 和f p g a 的高速數(shù)據(jù)采樣系 統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。 圖2 1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 采樣系統(tǒng)分為四個部分：放大成形部分、a d c 部分、f p g a 數(shù)據(jù)處理部分、 v m e 總線接口電路部分。放大成形電路用來對信號進(jìn)行整形，使信號形成為一個 準(zhǔn)高斯波形。a d c 為系統(tǒng)的核心芯片，負(fù)責(zé)將經(jīng)過調(diào)理通道后的模擬信號轉(zhuǎn)換成 為數(shù)字信號，這一部分電路性能的好壞直接影響到整個系統(tǒng)的性能指標(biāo)。f p g a 主要完成數(shù)據(jù)串并轉(zhuǎn)換、緩存、尋峰和整個系統(tǒng)的控制以及數(shù)據(jù)處理的功能。v m e 是用來實現(xiàn)人機(jī)對話。 下面分別介紹各部分的組成及硬件電路設(shè)計方法。 2 1 信號調(diào)理電路 在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，a d c 的輸入信號通常需要經(jīng)過一個驅(qū)動放大器對其進(jìn)行 調(diào)理，而且由前置放大器送來的信號只是進(jìn)行了初步的放大，波形無法滿足電荷 測量的要求，不能直接用于電荷測量，因此在a d c 前面需要加一個放大成形調(diào) 理電路。信號調(diào)理電路的目的是對從前置放大器出來的信號進(jìn)行放大、成形、緩 沖、，隔離來線性化信號，以提高信噪比及保證對峰值的取樣精度、輸入信號的帶 寬，抑制諧波畸變。如圖2 2 所示，a d 8 0 6 6 的主要作用是放大與隔離；r 1 c 1 r 3 組成了極零相消電路，有效的抑制了從前置放大器過來的信號的長尾：而后面的一 級r c ( r 4 c 1 1 ) 成形電路與極零相消電路相配合，有效的平滑了波形，限制了成形后 最大的波形寬度，使信號變?yōu)闇?zhǔn)高斯信號后，送入緩沖放大器，經(jīng)驅(qū)動放大器變成 差動信號后送至a d s 5 2 7 1 芯片的輸入端。采用運(yùn)算放大器來驅(qū)動高速a d c 的 9 基于v m e 總線的八通道數(shù)據(jù)采集捅件的設(shè)計 圖2 2 成形電路簡圖 作用有三個： 第一隔離模擬輸入信號與a d c 的輸入端。模擬輸入信號經(jīng)過驅(qū)動放大器，為 a d c 提供了低阻抗和快速的信號通道。a d c 內(nèi)部前端通常包括一個由采樣和保 持信號控制的開關(guān)電容輸入網(wǎng)絡(luò)，這個輸入網(wǎng)絡(luò)為驅(qū)動級帶來了可變電容負(fù)載，因 為負(fù)荷在采樣和保持之間重復(fù)過度，從而造成a d c 輸入上的瞬態(tài)充電毛刺，如果驅(qū) 動電路電阻過高，情況會更糟糕，而a d c 通常具有很高的輸入阻抗，而由運(yùn)算放大 器a d 8 1 3 2 構(gòu)成的驅(qū)動級，輸出阻抗低，驅(qū)動能力強(qiáng)，可以平滑輸出電流尖峰， 從而有效的消除由于a d c 的非線性阻抗所產(chǎn)生的瞬態(tài)負(fù)載電流對輸入信號的影 響。電阻r 8 、r 9 隔離從放大器引過來的a d c 的容性負(fù)載，確保電路的穩(wěn)定。同 時r 8 、c 1 3 還組成了低通濾波器限制a d c 信號的噪聲帶寬，低通濾波器還將a d c 輸入的電容負(fù)荷隔離于放大器，以保持放大器的相位裕度和穩(wěn)定性。 第二如果a d c 的輸入量程與輸入信號不匹配，就需要一個驅(qū)動放大器來產(chǎn)生 必要直流電平偏置。該驅(qū)動級采用共模反饋電路，可以通過調(diào)節(jié)可變電阻器r 1 5 使放大器精準(zhǔn)地設(shè)定輸出共模電壓電平，達(dá)到調(diào)節(jié)a d c 的直流輸入電平，以實現(xiàn) 全動態(tài)范圍。 第三是把單端輸入信號變?yōu)椴罘中盘枺詽M足a d c 的輸入要求。 挑選a d c 驅(qū)動放大器主要的考慮是將放大器的帶寬、無雜散動態(tài)范圍 ( s p u r i o u s f r e ed y n a m i cr a n g e ，s f d r ) 、噪聲和失真度等與a d c 相匹配，使得 a d c 的本身的性能不會因前接驅(qū)動放大器而下降。本設(shè)計采用的驅(qū)動放大器是專 門驅(qū)動低功耗、差分a d c 的低噪聲、高速、差分運(yùn)算放大器a d 8 1 3 2 。下面就驅(qū) 動放大器a d 8 1 3 2 與a d ca d s 5 2 7 1 的匹配問題作如下討論； ( 1 ) 一般地，首先要考慮地是a d c 的s f d r ，要求緩沖放大器的線性度必須優(yōu) 于a d c 的線性度，以避免降低a d c 的s f d r 指標(biāo)。a d 8 l3 2 的s f d r 為9 9 d b ， 而a d s 5 2 7 1 的s f d r 為8 5 d b ，這樣，由于驅(qū)動放大器所引起的總的s ( n + d ) 下降 大約在0 5 d b 到l d b 之間。 l o 碩士學(xué)位論文 ( 2 ) 建立時間，為保證采樣的準(zhǔn)確性，運(yùn)放的建立時間與a d c 的采樣時間應(yīng)匹 配，即只有當(dāng)a d c 采樣輸入信號的時間長于最差情況下放大器的建立時間時， 才能保證轉(zhuǎn)換結(jié)果的精度。對于1 2 位的a d c ，驅(qū)動運(yùn)放和輸入電路達(dá)到o 0 2 4 4 的建立時間要足夠的小，才能不影響a d c 的轉(zhuǎn)換率，使輸入波形得削波或失真 不會大于a d c 的1 l s b 。a d s 5 2 7 l 的差分全擺幅輸入范圍為2 0 3 v p p ，a d 8 1 3 2 的 壓擺率為12 0 0 v s ，所以它達(dá)到輸入電路的o 0 2 4 4 的時間僅為o 0 0 0 4 0 6 n s 。 ( 3 ) 緩沖放大器需要具有與a d c 相同的帶寬或更寬的帶寬，a d 8 1 3 2 的一3 d b 帶寬為3 5 0 m h z ，a d s 5 2 7 l 的一3 d b 帶寬為3 0 0 m h z ，符合要求。 ( 4 ) 緩沖放大器還應(yīng)該提供足夠的增益，以確保送到a d c 的信號接近于滿量 程輸入電壓，而且它的源阻抗要足夠低，以保證與a d c 輸入阻抗的隔離，并為 a d c 輸入驅(qū)動提供足夠的功率。通過調(diào)節(jié)電阻r 7 和r 5 的值可以控制a d 8 1 3 2 的增益，使之符合a d c 韻要求。 2 2a d c 轉(zhuǎn)換電路 a d 轉(zhuǎn)換器是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心，擔(dān)負(fù)著將模擬信號變換成適合計算機(jī)數(shù) 字處理的二進(jìn)制代碼的任務(wù)，它是連接模擬信號和數(shù)字儀器、數(shù)字設(shè)備、數(shù)字計 算機(jī)或其它數(shù)據(jù)系統(tǒng)之間聯(lián)系的橋梁，其轉(zhuǎn)換過程的實質(zhì)是將模擬信號進(jìn)行幅值 量化的過程。a d c 是影響數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采樣速率和精度的主要因素之一。為此本 設(shè)計采用了圖2 3 所示的a d c 轉(zhuǎn)換電路。 哪 鋤 圖2 3a d c 轉(zhuǎn)換電路 基于v m e 總線的八通道數(shù)據(jù)采集插件的設(shè)計 2 2 1p i p e l i n ea d c 介紹 目前，應(yīng)用最為廣泛的a d c 主要有積分型、逐次逼近型、積分增量調(diào)制式和 閃電式a d c ，其中前三種都無法達(dá)到很高的速度，一般在1 “s 次左右，而閃電型 a d c 可達(dá)到極高的取樣速度( 1 n s 之內(nèi)) ，它幾乎能夠在同一時間完成轉(zhuǎn)換，是各 種轉(zhuǎn)換方式中速度最快的結(jié)構(gòu)，但是閃電型a d c 的高速是以器件功耗而得到的， 按指數(shù)關(guān)系增長的比較器使其消耗的面積大、功耗大【2 4 25 1 ，隨機(jī)失調(diào)電壓致使其分 辨率位數(shù)低，這種結(jié)構(gòu)的a d c 的分辨率一般都在8 位以內(nèi)。因此，一些i c 制造 商推出另外一種采用流水線結(jié)構(gòu)的a d c ，這種結(jié)構(gòu)的a d 轉(zhuǎn)換器采用多個低精 度的閃電式a d c 對取樣信號進(jìn)行分計量化，然后將各級的量化結(jié)果組合起來， 構(gòu)成一個高精度的量化輸出，從整個轉(zhuǎn)換過程來看，流水線工作方式可以看作是 串行的，但是就每一步轉(zhuǎn)換來看，又是并行轉(zhuǎn)換的【2 6 2 7 2 8 1 。這種a d 轉(zhuǎn)換技術(shù)能 夠提供優(yōu)異的動態(tài)特性，可對輸入信號高速、高精度采樣，并且具有令人滿意的 低功耗和小尺寸，能夠滿足高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對于a d 轉(zhuǎn)換器的需要。圖2 4 為 流水線結(jié)構(gòu)a d c 的電路結(jié)構(gòu)框圖【2 引。 圖2 4k 級流水線結(jié)構(gòu)a d c 結(jié)構(gòu)框圖 如圖2 4 所示，流水線a d c 是由采樣保持電路( s h ) 、k 級流水線子轉(zhuǎn)換電 1 2 碩士學(xué)位論文 路、延遲緩沖器和數(shù)字校正電路構(gòu)成。每一級流水線子轉(zhuǎn)換電路由m 位f l a s h s u b a d c 、f 位s u b d a c 、s h 、減法器和殘差放大器r a 構(gòu)成。刪，是r a 對輸 入量r p s ，的放大結(jié)果，同時也是單級轉(zhuǎn)換器的輸出。一個n 位分辨率的流水線 a d c 完成一次采樣的流程大致如下：首級電路的采樣保持電路對輸入信號取樣后 先由一個m 位分辨率的粗a d 轉(zhuǎn)換器對輸入進(jìn)行量化。接著用一個至少n 位精 度的乘積型數(shù)模轉(zhuǎn)換器( m u l t i p l y i n gd i g i t a l t o a n a l o gc o n v e r t e r ，m d a c ) 產(chǎn)生一 個對應(yīng)于量化結(jié)果的模擬電平送至求和電路。求和電路從輸入信號中扣除此模擬 電平，并將差值精確放大某一固定增益后送至下一級電路處理。經(jīng)過k 級這樣的 處理后，最后由一個較高精度的l 位細(xì)a d 轉(zhuǎn)化器對殘余信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換。將上述 各級粗、細(xì)a d 的輸出組合起來即構(gòu)成高精度的n 位輸出【3 0 1 。 流水線轉(zhuǎn)換器的主要優(yōu)點在于其高吞吐率。經(jīng)過初始n 個時鐘周期以后，每 個周期完成一個轉(zhuǎn)換。當(dāng)?shù)诙壧幚淼谝患壍挠嗔繒r，第一級已經(jīng)開始處理下一 個采樣數(shù)據(jù)。每一級都在處理上一級傳遞下來的余量，從而實現(xiàn)快速轉(zhuǎn)換。流水 線轉(zhuǎn)換器的缺點是第一個數(shù)字輸出之前有幾個時鐘周期的延遲。這是由于流水線 轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)對模擬信號的逐級串行流水線處理，對應(yīng)于同一個模擬輸入的各級電 路的數(shù)字轉(zhuǎn)換輸出是逐級延遲的，延時對準(zhǔn)寄存器陣列的作用是給流水線結(jié)構(gòu)的 數(shù)字輸入加入一個恰恰是逐級減少的延遲，這樣使得對應(yīng)于同一個模擬輸入的各 級電路數(shù)字輸出能在時序上對齊后輸出。因此，在流水線a d c 工作最初的幾個 周期內(nèi)輸出不能進(jìn)行實時輸出。為了避免電路的非理想因素帶來不可校準(zhǔn)的誤差， 一般可以在各級電路中采用冗余分辨率設(shè)計。數(shù)字校正邏輯單元是1 位冗余數(shù)字 校正( r e d u n d a n ts i g n e dd i g i t ，r s d ) 和編碼邏輯處理模塊。 2 2 2a d c 的選擇 a d c 是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其性能指標(biāo)是決定數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)性能最為關(guān)鍵的因 素。在選擇a d c 時應(yīng)從一下幾個方面考慮： ( 1 ) 動態(tài)范圍：a d c 的動態(tài)范圍是指輸入的模擬電壓信號的變化范圍，是a d c 的一項重要指標(biāo)。在電路設(shè)計中，要實現(xiàn)a d c 的轉(zhuǎn)換精度，必須將電路中的噪 聲電平控制在量化電平以下。量化電平越小，電路設(shè)計越難實現(xiàn)，因此應(yīng)盡量選 擇動態(tài)范圍大的a d c 芯片，這可以在一定程度上降低電路的設(shè)計難度。 ( 2 ) 采樣精度：a d c 的采樣精度也就是它的有效位數(shù)。理論上，a d c 的位數(shù) 越高越好，但實際上，由于噪聲的影響，如果不采用非常有效的抑制噪聲的方法， 根據(jù)量化電平q 的計算公式： q = 2 ( 3 1 ) ( 其中v f s 是滿量程電壓，n 是a d c 的位數(shù)) 若其量化電平已經(jīng)低于噪聲，即便使用更高精度的a d c ，a d c 也只會更精細(xì) 地測出噪聲地干擾，而不是信號本身。對于一個理想地a d c 而言，在n y q u i s t 帶 寬內(nèi)，理論上可以給出輸入滿量程正弦信號時地r m s 信號對量化噪聲的信噪比 ( s i g n a l t o n o i s er a t i o ，s n r ) 關(guān)系式： 1 3 基于v m e 總線的八通道數(shù)據(jù)采集捅件的設(shè)計 冊= 6 0 2 + 1 7 6 如 ( 3 2 ) 而實際的a d c 由于存在非線性誤差，所以實際測出的信噪比s n r r 。l 要小于 理論值。由此可得有效位數(shù)( e f f e c t i v en u m b e ro f b i t s ，e n o b ) 關(guān)系式： e 0 8 = ( s ! 7 r r ?？趂 一1 7 6 勱) 6 0 2 ( 3 3 ) ( 3 ) 在系統(tǒng)設(shè)計時，要考慮的一個重要因素就是芯片的功耗。盡可能選擇低功 耗的a d c ，可以有效降低散熱要求，簡化系統(tǒng)的外圍設(shè)計。 ( 4 ) 輸出：采用串行輸出的a d c ，一個芯片可以處理多路電路，大大減少了電 路板上a d c 的數(shù)目并減少了a d c 和f p g a 之間的連線數(shù)目，降低了p c b 設(shè)計 的復(fù)雜程度，降低了對f p g a 管腳數(shù)目的要求。 ( 5 ) 散動態(tài)范圍：s f d r 定義為輸入信號的基波幅度與指定頻率內(nèi)最大失真分 量均方根的比。 因此經(jīng)過調(diào)研和各個公司的芯片的比較，選擇