A/D轉(zhuǎn)換組合工作原理剖和結(jié)構(gòu)組成分析

　　1引言

　　A/D轉(zhuǎn)換組合是雷達(dá)目標(biāo)諸元數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、傳輸?shù)暮诵牟考?一旦出現(xiàn)故障,目標(biāo)信號(hào)將無(wú)法傳送到信息處理中心進(jìn)行處理,從而導(dǎo)致雷達(dá)主要功能失效。某設(shè)備的A/D轉(zhuǎn)換設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜,可靠性差,可維修性差,故障率高,因此,采用CPLD技術(shù)和器件研究A/D轉(zhuǎn)換組合,改善該設(shè)備的總體性能。

　　2 A/D轉(zhuǎn)換組合工作原理剖析

　　A/D轉(zhuǎn)換組合作為武器系統(tǒng)的核心部件,接口特性和功能與武器系統(tǒng)的兼容,是新A/D轉(zhuǎn)換組合研制成功的前提,因此,必須對(duì)引進(jìn)A/D轉(zhuǎn)換組合進(jìn)行詳細(xì)的分析研究,提取接口特性及其參數(shù),分析組合功能和性能指標(biāo)。

　　2.1 組合工作原理及端口信號(hào)說(shuō)明

　　原A/D轉(zhuǎn)換組合由五個(gè)裝置組成,這五個(gè)裝置形成兩個(gè)完全相同且互相獨(dú)立的通道。每個(gè)通道包括一個(gè)預(yù)處理裝置、一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換和微調(diào)自檢裝置,如圖1所示：A/D轉(zhuǎn)換組合與武器系統(tǒng)其它部分的電路連接端口有6個(gè)：端口1為電源端口,X2、X4為相互正交的輸入模擬信號(hào),X5、X6為輸入脈沖信號(hào),X3為輸出數(shù)字信號(hào)。

　　輸入模擬信號(hào)X2和X4進(jìn)入預(yù)處理裝置,形成便于A/D轉(zhuǎn)換的信號(hào)。此信號(hào)進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換和微調(diào)自檢裝置,得到輸出數(shù)字信號(hào)X3。每個(gè)通道將輸入模擬信號(hào)數(shù)字化,在端口X3形成8個(gè)數(shù)據(jù)位和1個(gè)符號(hào)位,符號(hào)位與輸入模擬信號(hào)極性相對(duì)應(yīng)。X3同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)兩個(gè)通通及整個(gè)組合的工作自檢。

　　為保證組合的正常工作,須向同步裝置輸入脈沖信號(hào)X5和X6。X6稱(chēng)為“計(jì)數(shù)脈沖”,用作A/D轉(zhuǎn)換的時(shí)鐘。X5稱(chēng)為“自動(dòng)微調(diào)脈沖”,用于A/D轉(zhuǎn)換精度的微調(diào)和工作狀態(tài)的自檢。同步裝置根據(jù)X5和X6形成若干脈沖,這些脈沖分成完全相同的兩組同時(shí)送給兩個(gè)通道。

　　2.2結(jié)構(gòu)組成分析

　　(1)同步裝置

　　同步裝置由三個(gè)子模塊組成,形成一個(gè)閉環(huán),如圖2所示。

　　模塊1的輸入為X5、X6和來(lái)自模塊3的四個(gè)脈沖T1、T2、T3、T4,雖然X5、X6都輸入模塊1,但是只有X6與此閉環(huán)有關(guān),它們?cè)谀K1內(nèi)經(jīng)過(guò)一系列邏輯單元處理,輸出為一系列脈沖,包括詢(xún)問(wèn)脈沖X(X=1,2,3,4)、寄存器詢(xún)問(wèn)脈沖、選擇脈沖、輸出自動(dòng)微調(diào)脈沖和其它脈沖。模塊2的輸入R是矩形波信號(hào),輸出S類(lèi)似于三角波。模塊3的主體是四個(gè)電位器和四個(gè)電壓比較器。四個(gè)電位器經(jīng)過(guò)精心調(diào)節(jié)在滑動(dòng)端形成四個(gè)等間隔的基準(zhǔn)電壓。四個(gè)電壓比較器將S和這些基準(zhǔn)電壓分別進(jìn)行比較,得到四個(gè)TTL電平脈沖信號(hào)T1、T2、T3、T4。T1、T2、T3、T4和S、R、X6時(shí)序關(guān)系如圖3所示。

　　輸出脈沖與X6的時(shí)序關(guān)系如圖4所示。

　　(2)預(yù)處理裝置

　　預(yù)處理裝置包括模擬多路開(kāi)關(guān)電路、求模電路、取符號(hào)電路和存儲(chǔ)電路,其組成如圖5所示。

　　X2(或X4)是雙極性信號(hào),在被模擬多路開(kāi)關(guān)電路選通后,通過(guò)求模電路變?yōu)檎龢O性信號(hào),此正極性信號(hào)進(jìn)入存儲(chǔ)電路進(jìn)行跟蹤/保持。另外,模擬多路開(kāi)關(guān)電路的輸出信號(hào)還進(jìn)入取符號(hào)電路,得到符號(hào)位。

　　(3)模數(shù)轉(zhuǎn)換和微調(diào)自檢裝置

　　該裝置包括模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、自動(dòng)微調(diào)電路和自檢電路,其中模數(shù)轉(zhuǎn)換電路又由四個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊組成,如圖6所示。

　　圖6 模數(shù)轉(zhuǎn)換和微調(diào)自檢裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

　　SH進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊1,在其內(nèi)部被電阻網(wǎng)絡(luò)分壓,分壓結(jié)果與內(nèi)部基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較,比較結(jié)果被編碼,得到模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果的最高兩位D7D6;設(shè)數(shù)字輸出D7×27+D6×26對(duì)應(yīng)的模擬信號(hào)幅度為U1,在模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊1內(nèi)部,將SH和U1相減,輸出RM1=SH-U1,RM1進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊2,按同樣的方式得到D5D4;模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊3、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊4也完全類(lèi)似,分別輸出D3D2(第3位和第2位)和D1D0(第1位和第0位)。這樣就得到了模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果的8個(gè)數(shù)據(jù)位。

　　3 A/D轉(zhuǎn)換組合設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

　　新A/D轉(zhuǎn)換組合的幾何尺寸應(yīng)與引進(jìn)A/D轉(zhuǎn)換組合吻合,輸入輸出接口特性應(yīng)與引進(jìn)A/D轉(zhuǎn)換組合完全一致。鑒于原A/D轉(zhuǎn)換組合采用分立元件和低集成度芯片設(shè)計(jì),導(dǎo)致電路復(fù)雜,故障率高的缺點(diǎn),本文采用高集成度的CPLD芯片設(shè)計(jì)國(guó)產(chǎn)A/D轉(zhuǎn)換組合。

　　3.1總體功能設(shè)計(jì)

　　新A/D轉(zhuǎn)換組合總體設(shè)計(jì)框圖如圖7所示,當(dāng)X5(自動(dòng)微調(diào)脈沖)為低電平時(shí),地址形成邏輯形成的地址信號(hào)使模擬多路開(kāi)關(guān)選通來(lái)自前端接收系統(tǒng)的模擬輸入信號(hào)X2(或X4)。X2(或X4)經(jīng)過(guò)模擬多路開(kāi)關(guān)送入模數(shù)轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行轉(zhuǎn)換。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路輸出的數(shù)字信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)處理邏輯變換后,得到與原模數(shù)轉(zhuǎn)換組合碼制相同的10位輸出信號(hào),即8位數(shù)據(jù)位、1位符號(hào)位和1位奇校驗(yàn)位。這10位信號(hào)經(jīng)寄存器鎖存后,通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路送至后端計(jì)算系統(tǒng)。

　　當(dāng)X5為高電平時(shí),地址形成邏輯形成的地址信號(hào)使模擬多路開(kāi)關(guān)選通標(biāo)準(zhǔn)電壓電路提供的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電壓。標(biāo)準(zhǔn)電壓進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換電路形成數(shù)字量,基準(zhǔn)自動(dòng)微調(diào)邏輯根據(jù)此數(shù)字量調(diào)整單極性數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的輸入數(shù)字量,零點(diǎn)自動(dòng)微調(diào)邏輯根據(jù)此數(shù)字量調(diào)整雙極性數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的輸入數(shù)字量。單極性數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的輸出模擬量為模數(shù)轉(zhuǎn)換組合的基準(zhǔn)電壓,雙極性數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的輸出模擬量為模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的負(fù)模擬輸入端電壓。這樣就實(shí)現(xiàn)了通道1(或通道2)模數(shù)轉(zhuǎn)換精度的自動(dòng)微調(diào)。

　　自檢檢測(cè)邏輯從寄存器取出對(duì)標(biāo)準(zhǔn)電壓進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字量,并與預(yù)存儲(chǔ)值比較,根據(jù)比較的結(jié)果確定通道1(或2)是否正常工作,并形成相應(yīng)的指示信號(hào)送入驅(qū)動(dòng)電路。驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)通道1自我檢測(cè)邏輯輸出的指示信號(hào)和通道2自我檢測(cè)邏輯輸出的指示信號(hào)形成“通道1正?！毙盘?hào)、“通道2正常”信號(hào)和“轉(zhuǎn)換組合正?！毙盘?hào),并送給后端計(jì)算系統(tǒng)。

　　X5(自動(dòng)微調(diào)脈沖)和X6(計(jì)數(shù)脈沖)分別通過(guò)二選一開(kāi)關(guān)進(jìn)入緩沖及延遲電路,形成一組脈沖信號(hào)送入時(shí)序邏輯。時(shí)序邏輯根據(jù)此組脈沖信號(hào)形成系統(tǒng)正常工作所需的多種脈沖信號(hào)。數(shù)據(jù)處理邏輯、寄存器、地址形成邏輯、基準(zhǔn)自動(dòng)微調(diào)邏輯、零點(diǎn)自動(dòng)微調(diào)邏輯、自我檢測(cè)邏輯、時(shí)序邏輯都在Xilinx公司的大規(guī)模可編程邏輯器件XC95108內(nèi)實(shí)現(xiàn)(圖7中每個(gè)虛線(xiàn)框代表一片XC95108)。通道1和通道2分別使用一片XC95108。

　　調(diào)試脈沖形成電路輸出X5A和X6A信號(hào)。在國(guó)產(chǎn)化模數(shù)轉(zhuǎn)換組合脫離戰(zhàn)車(chē)系統(tǒng)進(jìn)行維修時(shí),通過(guò)二選一開(kāi)關(guān)選通X5A信號(hào)和X6A信號(hào)以替代前端輸入的X5和X6,從而方便了該組合的維修。

　　3.2模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)

　　模數(shù)轉(zhuǎn)換電路是整個(gè)國(guó)產(chǎn)化A/D轉(zhuǎn)換組合的核心電路,需要精心設(shè)計(jì)。

　　首先是A/D轉(zhuǎn)換芯片的選擇,根據(jù)引進(jìn)A/D轉(zhuǎn)換組合的工作原理,A/D轉(zhuǎn)換芯片需要滿(mǎn)足如下4點(diǎn)要求：

　　(1)雙極性輸入;

　　(2)分辨率≥9位;

　　(3)最大采樣速率≥1.5MSPS;

　　(4)無(wú)流水延時(shí),且模數(shù)轉(zhuǎn)換在大約200ns內(nèi)完成。

　　根據(jù)上述要求,同時(shí)考慮價(jià)格及功耗等因素,選擇逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換芯片LTC1412。LTC1412引腳說(shuō)明見(jiàn)有關(guān)技術(shù)資料。其典型用法如圖8所示。

　　電路設(shè)計(jì)中,LTC1412采用雙端輸入方式,即, 端輸入模擬多路開(kāi)關(guān)送來(lái)的模擬信號(hào),%20端輸入雙極性數(shù)模轉(zhuǎn)換電路送來(lái)的微調(diào)信號(hào)。%20接數(shù)字地,從而使LTC1412始終處于選通狀態(tài)。LTC1412的基準(zhǔn)電壓可由外部調(diào)節(jié),變化范圍在1.25V和3V之間,此處使用外部基準(zhǔn),基準(zhǔn)電壓由單極性數(shù)模轉(zhuǎn)換電路提供。 端由緩沖及延遲電路送來(lái)的采樣時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)。

　　原A/D轉(zhuǎn)換組合對(duì)X2(或X4)的采樣時(shí)刻相對(duì)于X6上升沿滯后約10ns,新設(shè)計(jì)A/D轉(zhuǎn)換組合也與此保持一致。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路在輸入時(shí)鐘信號(hào)的下降沿采樣,而此輸入時(shí)鐘信號(hào)的下降沿相對(duì)于X6上升沿正好滯后約10ns。

　　LTC1412的所有正電源端均連接到+5V模擬電源,所有地端均連接到模擬地平面。雖然LTC1412的分辨率為12位,但產(chǎn)品說(shuō)明給出的評(píng)估板只是兩層板,因此在設(shè)計(jì)PCB版圖時(shí)也只使用兩層板。在PCB版圖上全部使用表貼電容進(jìn)行濾波和去藕,可以在抑制噪聲方面起到重要作用。

　　4結(jié)束語(yǔ)

　　本文采用CPLD器件設(shè)計(jì)了新的A/D轉(zhuǎn)換組合,替代了原組合,同時(shí)提高了可靠性,改善了轉(zhuǎn)換位數(shù)、功耗等技術(shù)指標(biāo),已經(jīng)定型并投入生產(chǎn)。