5 Gsps高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

摘要：以某高速實時頻譜儀為應(yīng)用背景，論述了5 Gsps采樣率的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成和設(shè)計要點，著重分析了采集系統(tǒng)的關(guān)鍵部分高速ADC(analog to digital，模數(shù)轉(zhuǎn)換器)的設(shè)計、系統(tǒng)采樣時鐘設(shè)計、模數(shù)混合信號完整性設(shè)計、電磁兼容性設(shè)計和基于總線和接口標準(PCI Express)的數(shù)據(jù)傳輸和處理軟件設(shè)計。在實現(xiàn)了系統(tǒng)硬件的基礎(chǔ)上，采用Xilinx公司ISE軟件的在線邏輯分析儀(ChipScope Pro)測試了ADC和采樣時鐘的性能，實測表明整體指標達到設(shè)計要求。給出上位機對采集數(shù)據(jù)進行處理的結(jié)果，表明系統(tǒng)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實時采集存儲功能。
關(guān)鍵詞：高速數(shù)據(jù)采集；高速ADC；FPGA；PCI Express

高速實時頻譜儀是對實時采集的數(shù)據(jù)進行頻譜分析，要達到這樣的目的，對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣精度、采樣率和存儲量等指標提出了更高的要求。而在高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，ADC在很大程度上決定了系統(tǒng)的整體性能，而它們的性能又受到時鐘質(zhì)量的影響。為滿足系統(tǒng)對高速ADC采樣精度、采樣率的要求，本設(shè)計中提出一種新的解決方案，采用型號為EV8AQ160的高速ADC對數(shù)據(jù)進行采樣；考慮到ADC對高質(zhì)量、低抖動、低相位噪聲的采樣時鐘的要求，采用AD9520為5 Gsps數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供采樣時鐘。為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，對模數(shù)混合信號完整性和電磁兼容性進行了分析。對ADC和時鐘性能進行測試，并給出上位機數(shù)據(jù)顯示結(jié)果，實測表明該系統(tǒng)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的高速采集、存儲和實時后處理。

1 系統(tǒng)的構(gòu)成
高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括模擬信號調(diào)理電路、高速ADC、高速時鐘電路、大容量數(shù)據(jù)緩存、系統(tǒng)時序及控制邏輯電路和計算機接口電路等。圖1所示為5 Gsps高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的原理框圖。所用ADC型號為EV8AQ160，8 bit采樣精度，內(nèi)部集成4路ADC，最高采樣率達5 Gsps，可以工作在多種模式下。通過對ADC工作模式進行配置，ADC既可以工作在采樣率為5 Gsps的單通道模式，也可以工作在采樣率為2．5 Gsps的雙通道模式。模擬輸入信號經(jīng)過BALUN型高頻變壓器完成單端信號到差分信號的轉(zhuǎn)換，ADC對差分信號進行采樣，然后把數(shù)據(jù)送入FPGA，F(xiàn)PGA將接收到的數(shù)據(jù)進行預處理后存儲到第三代雙倍速率同步動態(tài)隨機存儲器(DDR3)中，需要對采集的數(shù)據(jù)進行后續(xù)處理時，將數(shù)據(jù)從DDR3中取出，并通過PCI Express傳送給上位機，上位機對數(shù)據(jù)進行處理后顯示。整個硬件系統(tǒng)僅采用一片F(xiàn)PGA來處理，并作為主控芯片對整個系統(tǒng)進行通信和控制，大大提高了系統(tǒng)的運行速度。本設(shè)計采用Xilinx公司Virrex-6系列FPGA，型號為XC6VLX240T-1156C。

2 系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)
2．1 高速ADC設(shè)計及其完整性分析
高速ADC芯片EV8AQ160在片內(nèi)集成了4路獨立的ADC，每個通道具有1．25Gsps的采樣率，可以工作在3種模式下，最高采樣率可達5Gsps。要求2．5 GHz差分對稱時鐘輸入，可進行ADC主復位。EV8AQ160內(nèi)部集成了1：1和1：2的數(shù)據(jù)多路分離器(DMUX)和LVDS輸出緩沖器，可以降低輸出數(shù)據(jù)率，方便與多種類型的高速FPGA直接相連，實現(xiàn)高速率的數(shù)據(jù)存儲和處理。為了補償由于器件參數(shù)離散和傳輸路徑差異所造成的采樣數(shù)據(jù)誤差，該ADC具有針對每路ADC數(shù)據(jù)的積分非線性(INL)、增益(Gain)、偏置(Offset)、相位(Phase)的控制和校正。EV8AQ160提供測試功能，具有兩種測試方式，方便用戶根據(jù)自己的習慣對ADC是否正常工作進行測試。