多通道Gsps级高速数据采集卡设计

发布时间：2020-05-05 09:12

【摘要】：随着信息技术的发展,模拟信号的频率带宽越来越高,而在现代电子信息领域中,如雷达、声呐、核探测器等仪器输出的高频信号,其频率一般高达百MHz乃至GHz,对于这些高频信号的采集需要更高的采样率和更高的精确度。本文设计了一种多通道Gsps级高速数据采集卡的实现方案。数据采集卡采用10位5Gsps的TIADC进行多通道采样,使用扩展性极强的FMC接口设计成子母板结构,采用FPGA作为逻辑控制核心,利用DDR3存储器及千兆以太网实现了数据的存储上传功能。数据采集子板设计了两套方案:一种采用单片ADC实现四通道可选输入,四通道采样率达到1.25Gsps,单通道采样率达到5Gsps;一种采用两片ADC实现双通道可选输入,主要实现双通道5Gsps的采样功能,并尝试将两片ADC进行交错采样来验证单通道1OGsps的设计方案。本文围绕高速TIADC芯片重点设计了两套数据采集子板的模拟信号调理、ADC高速采样、低抖动(150fs)高速采样时钟、高速同步电路等硬件模块,围绕FPGA设计了数据处理母板的DDR3存储、千兆以太网传输接口等硬件模块。针对ADC高速采样利用内嵌有IODELAY可调延迟单元的串并转换器ISERDES,设计了基于源同步的高速数据接收FPGA逻辑。对于单ADC数据采集卡只有母板上的一片FPGA,其内部逻辑还包括时钟芯片和ADC芯片的SPI配置、数据整合与触发控制、DDR3接口控制和千兆以太网接口控制等模块。对于双ADC数据采集卡,子板和母板上各有一片FPGA,因此部分逻辑模块迁移到子板FPGA,还加入了BRAM来进行100Gbps的高速数据缓存,并实现了两片FPGA之间的数据传输。论文最后对数据采集卡进行了性能测试,编写了上位机软件和MATLAB处理程序作为测试平台,在校正ADC通道失配误差后测试了其性能参数。测试结果表明两套ADC采集子板的静态性能和动态性能都表现良好:单ADC采集子板在单通道5Gsps模式下,有效位ENOB的典型值达到8.56(100MHz);双ADC采集子板在双通道5Gsps模式下,有效位ENOB的典型值达到8.01(100MHz)。本文主要完成的工作和创新点有:(1)设计了两套多通道Gsps级高速数据采集卡的硬件方案。围绕10位5Gsps高速TIADC芯片,重点研究了模拟信号调理、ADC高速采样、低抖动(150fs)高速采样时钟、高速同步电路等模块。(2)完成了ADC高速数据的接收缓存、存储上传的FPGA逻辑设计。在完成时钟芯片和ADC芯片的SPI配置的基础上,利用内嵌有IODELAY可调延迟单元的串并转换器ISERDES设计了基于源同步的高速数据接收模块,并利用片内BRAM实现了100Gbps超高数据速率的实时缓存。(3)设计了上位机测试平台并完成了ADC性能测试。编写了上位机软件和MATLAB处理程序作为测试平台进行测试,结果表明两套数据采集子板的静态性能和动态性能都表现良好,有效位ENOB的典型值分别达到8.56和8.01。
【图文】：

个级别的参考电平称为量化电平，用二进制码来对此进行标定的过程则称为编码。逡逑量化和编码实现了数值断续过程，将窄宽度的脉冲信号转换成立离散的数字信号。逡逑图２．４为量化编码示意图。其中，，彳称为量化单位即最小参考电平，定义为逡逑满量程电压邋Ｆｆｓｒ邋（Ｆｕｌｌ邋Ｓｃａｌｅ邋Ｒａｎｇｅ邋Ｖｏｌｔａｇｅ）与２ｎ的比值，艮Ｐ：逡逑ｑ邋＝邋Ｖ￣＾逦（式邋２．２）逡逑，Ｔ、个逦，Ｔ、＂０１１０逦１００１逦０１０１逡逑ｏｎ，邋ｏｍ邋0，00逡逑９ｑ逦邋９ｑ逦—逦逡逑７ｑ逦７ｑ邋ＩＩ逦Ｉ邋：邋：邋Ｉ邋：邋：邋１１１邋：逡逑６ｑ邋逦逦逦邋６ｑ邋逦逦＾邋＿．邋邋逦逡逑５ｑ邋＂邋邋邋—逦逦ｉ逦５ｑ邋邋邋—＇ｙ邋一逦逦逡逑３ｑ邋■■邋逦逦逦逦邋一邋逦逦邋３（ｊ邋—逦逦—邋逦逦逡逑一邋■■邋一邋…逦２ｑ逦一逡逑１＿ｉｔ．邋．Ｊｒ，邋ｉＪ＿１！＿ｎ逦？逦￣邋ｒ邋ｌ邋Ｉ邋逦？逡逑0邋Ｔｓ邋２ＴＳ邋３Ｔ，邋４ＴＳ邋－邋ｔ逦０邋Ｔｓ邋２ＴＳ邋３ＴＳ邋４ＴＳ邋－邋ｔ逡逑图２．４量化编码过程逡逑在量化编码过程需要关注的是量化过程中产生的量化误差（也称量化噪声

个级别的参考电平称为量化电平，用二进制码来对此进行标定的过程则称为编码。逡逑量化和编码实现了数值断续过程，将窄宽度的脉冲信号转换成立离散的数字信号。逡逑图２．４为量化编码示意图。其中，彳称为量化单位即最小参考电平，定义为逡逑满量程电压邋Ｆｆｓｒ邋（Ｆｕｌｌ邋Ｓｃａｌｅ邋Ｒａｎｇｅ邋Ｖｏｌｔａｇｅ）与２ｎ的比值，艮Ｐ：逡逑ｑ邋＝邋Ｖ￣＾逦（式邋２．２）逡逑，Ｔ、个逦，Ｔ、＂０１１０逦１００１逦０１０１逡逑ｏｎ，邋ｏｍ邋0，00逡逑９ｑ逦邋９ｑ逦—逦逡逑７ｑ逦７ｑ邋ＩＩ逦Ｉ邋：邋：邋Ｉ邋：邋：邋１１１邋：逡逑６ｑ邋逦逦逦邋６ｑ邋逦逦＾邋＿．邋邋逦逡逑５ｑ邋＂邋邋邋—逦逦ｉ逦５ｑ邋邋邋—＇ｙ邋一逦逦逡逑３ｑ邋■■邋逦逦逦逦邋一邋逦逦邋３（ｊ邋—逦逦—邋逦逦逡逑一邋■■邋一邋…逦２ｑ逦一逡逑１＿ｉｔ．邋．Ｊｒ，邋ｉＪ＿１！＿ｎ逦？逦￣邋ｒ邋ｌ邋Ｉ邋逦？逡逑0邋Ｔｓ邋２ＴＳ邋３Ｔ，邋４ＴＳ邋－邋ｔ逦０邋Ｔｓ邋２ＴＳ邋３ＴＳ邋４ＴＳ邋－邋ｔ逡逑图２．４量化编码过程逡逑在量化编码过程需要关注的是量化过程中产生的量化误差（也称量化噪声
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP274.2;TN792

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本文编号：2649880