程耀林

(中南民族大學(xué)電子信息工程學(xué)院，武漢430074)

對(duì)于高清圖像、高清視頻應(yīng)用設(shè)備以及對(duì)測(cè)量帶寬和精度有一定要求的測(cè)量?jī)x器而言，需要選擇有一定精度的高速ADC芯片來(lái)完成模擬信號(hào)的采樣.如果同時(shí)希望簡(jiǎn)化PCB的設(shè)計(jì)，則使用TI公司的高速ADC芯片ADS5232是一個(gè)不錯(cuò)的選擇.該芯片每個(gè)通道的最高采樣速率達(dá)到65MS/s，精度為12bit，將2個(gè)采樣通道集成在一個(gè)芯片內(nèi)，而且提供內(nèi)部參考電壓［1］，可以省去外部參考電壓產(chǎn)生電路，從而大大簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì).高速數(shù)據(jù)采集需要高速控制，高速緩沖.CPU的串行處理機(jī)制決定了它不能實(shí)現(xiàn)高速控制，所以一般使用FPGA來(lái)控制，但更高的采樣速度FPGA也不能控制，只能使用專用芯片控制.而ADS5232的采樣速度決定了它使用FPGA來(lái)控制非常合適.

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

ADS5232的功能、信號(hào)和參數(shù)等詳細(xì)說明可參看其數(shù)據(jù)手冊(cè)［1］，例如，其模擬電源和數(shù)字電源供電電壓都是3.3V.差分模擬輸入的波動(dòng)范圍為1.5～2.0Vpp，DNL= ± 0.3LSB，TQFP-64 封裝.參考電壓可選內(nèi)部，也可選外部，使用內(nèi)部參考電壓時(shí)功耗371mW，使用外部參考電壓時(shí)功耗335mW，對(duì)于2路高速采樣的ADC芯片有此功耗并不高.

基于該芯片的高速采集電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1所示.芯片的2路模擬信號(hào)輸入要求是差分信號(hào)，ADC前端模塊的功能是把外部的單端模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為符合芯片要求的差分信號(hào)，包括電壓的要求.ADS5232完成模數(shù)轉(zhuǎn)換，F(xiàn)PGA主要實(shí)現(xiàn)對(duì)ADS5232的控制和輸出數(shù)據(jù)的緩沖，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)外部應(yīng)用電路的接口.ADS5232和FPGA都使用3.3V電源，可直接相連，不需要電平轉(zhuǎn)換電路.數(shù)據(jù)緩沖區(qū)可以使用FPGA片內(nèi)雙口RAM來(lái)配置一個(gè)FIFO實(shí)現(xiàn)，如果要求緩沖區(qū)比較大，可以連接片外RAM來(lái)實(shí)現(xiàn)，但增加了設(shè)計(jì)的難度.片外RAM有2種可以選擇，一種是SRAM，容量比較小，但接口比較簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn).另外一種是SDRAM，容量大，但接口比較復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)難度大.使用片內(nèi)的RAM最方便，適合于對(duì)緩沖區(qū)要求不大的場(chǎng)合.外部應(yīng)用電路是指將模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)作為輸入的應(yīng)用電路，例如，示波器、圖像處理等模塊.本設(shè)計(jì)是一種實(shí)現(xiàn)高速采樣并提供數(shù)據(jù)緩沖和接口的應(yīng)用平臺(tái)，可以和各種高速數(shù)據(jù)處理電路(即外部應(yīng)用電路)進(jìn)行可編程的連接.本文的設(shè)計(jì)只涉及ADC前端模塊、ADS5232模塊和FPGA模塊.

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 System structure block diagram

在此系統(tǒng)設(shè)計(jì)中還要注意如下3個(gè)問題.

(1)同步設(shè)計(jì).整個(gè)系統(tǒng)要采用同步設(shè)計(jì)，包括外部應(yīng)用電路在內(nèi)，即所有模塊要使用一個(gè)時(shí)鐘源產(chǎn)生的時(shí)鐘.同步設(shè)計(jì)可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，避免數(shù)據(jù)丟失等錯(cuò)誤［2］.

(2)PCB設(shè)計(jì).PCB設(shè)計(jì)要符合高速電路的設(shè)計(jì)要求.為了保證高速電路信號(hào)的質(zhì)量，要求使用4層版.高速PCB的設(shè)計(jì)要考慮的因素很多，其目的是盡量減少高速信號(hào)的干擾和寄生電容、電感的影響，例如時(shí)鐘線要盡量短，且兩邊都布地線，去耦電容要靠近電源引腳，且使用小封裝0603，高速信號(hào)線要避免走比較長(zhǎng)的平行線等等［2］.

(3)采集數(shù)據(jù)的處理.ADS5232是連續(xù)采樣，但FPGA內(nèi)部的緩沖區(qū)大小有限，而應(yīng)用電路的處理速度和具體應(yīng)用有關(guān).如果能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)、實(shí)時(shí)處理，可以不需要緩沖區(qū)，直接從ADS5232取數(shù).如果處理速度有限，不能連續(xù)、實(shí)時(shí)處理，則只能以一個(gè)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)大小(即存儲(chǔ)深度)為單位進(jìn)行處理，例如示波器的波形顯示，一幅波形顯示的剛好是緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)，所以，緩沖區(qū)數(shù)據(jù)的刷新頻率決定了波形刷新的頻率.對(duì)緩沖區(qū)的安排需要考慮到ADS5232可以實(shí)現(xiàn)2路模擬信號(hào)的同步采樣.

2 模塊設(shè)計(jì)

2.1 ADC 前端設(shè)計(jì)

ADC前端電路可以使用放大器或者變壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)，二者都可以把單端信號(hào)轉(zhuǎn)化為差分信號(hào)，并符合ADS5232對(duì)模擬輸入的要求(ADS5232只接受差分模擬信號(hào)的輸入).使用變壓器的設(shè)計(jì)如圖2所示，變壓器的匝數(shù)比N可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行配置，使輸出電壓符合INA+和INA－的電壓要求.使用放大器THS4503也可以實(shí)現(xiàn)ADC前端電路，其設(shè)計(jì)如圖3所示，其中，THS4503的電壓可以使用+5V和－5V.根據(jù)實(shí)際情況選擇使用變壓器或者放大器來(lái)實(shí)現(xiàn) ADC 前端電路［1，3，4］.一般而言，變壓器不會(huì)引入噪音，而放大器會(huì)產(chǎn)生噪音.但如果要保留直流成分，則不能使用變壓器，只能使用放大器了.

圖2 使用變壓器構(gòu)成的ADC前端電路Fig.2 ADC front-end circuit constructed by transformer

圖3 使用放大器構(gòu)成的ADC前端電路Fig.3 ADC front-end circuit constructed by amplifier

2.2 ADS5232及其控制和接口電路的設(shè)計(jì)

ADS5232的輸入和前端電路相連，輸出和FPGA相連，如圖4所示.2個(gè)通道同步采樣，圖4只給出了一個(gè)通道的情況.

(1)FPGA實(shí)現(xiàn)的功能.虛線框代表FPGA，使用內(nèi)部的雙口RAM作為數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，可供片外應(yīng)用電路讀取.控制和接口模塊完成ADS5232的接口控制，產(chǎn)生雙口 RAM的寫地址 WADDR，寫使能WEN，對(duì)ADS5232的輸出進(jìn)行采樣并按地址寫入雙口RAM中.片內(nèi)鎖相環(huán)對(duì)外部晶振輸入的時(shí)鐘進(jìn)行倍頻和相位調(diào)整，產(chǎn)生滿足ADS5232需要的采樣時(shí)鐘CLK、雙口RAM的寫時(shí)鐘CLK和讀時(shí)鐘CLK0以及其他模塊需要的時(shí)鐘，讀時(shí)鐘應(yīng)該等于或者大于CLK.晶振的輸出時(shí)鐘是單端信號(hào)，考慮到鎖相環(huán)需要輸出高頻時(shí)鐘，所以要選用抖動(dòng)小的晶振.數(shù)據(jù)處理及接口模塊完成對(duì)采樣數(shù)據(jù)的處理以及對(duì)外部應(yīng)用電路的接口控制，例如，產(chǎn)生雙口RAM的讀地址，讀使能.此外，還可以在FPGA內(nèi)部單獨(dú)新建其他模塊實(shí)現(xiàn)應(yīng)用電路所需的附加功能.FPGA可選擇 ALTERA公司 Cyclone II系列的EP2C8Q208C8，它有182個(gè) I/O引腳，8256個(gè) LE，20.25KB 的內(nèi)部 RAM，2 個(gè)鎖相環(huán) PLL［5］.考慮到 2個(gè)通道同時(shí)采樣，所以一個(gè)雙口RAM的大小可以設(shè)置為5K×12bit比較合適.

(2)ADS5232實(shí)現(xiàn)的功能.將差分模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)D［11:0］，同時(shí)產(chǎn)生數(shù)據(jù)有效指示信號(hào)DV、溢出指示OVR和輸出使能OE.DV=0時(shí)，D［11:0］有效.DV=1 時(shí)，D［11:0］無(wú)效，表示數(shù)據(jù)更新期.根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)提供的時(shí)序關(guān)系，應(yīng)使用時(shí)鐘CLK的上升沿對(duì)D［11:0］采樣，采樣的數(shù)據(jù)存入雙口RAM中.其VHDL代碼如下:

(3)控制信號(hào)的功能.除了上述DV、OVR、OE之外，其他信號(hào)的作用如下.

SEL:串口模式選擇，SEL=1時(shí)，串口模式有效.串口模式是通過串口對(duì)內(nèi)部寄存器進(jìn)行設(shè)置，從而控制ADC的工作方式，需要設(shè)置串口通信.如果系統(tǒng)有CPU，則使用這種模式比較方便，但是在剛上電后需要產(chǎn)生一個(gè)SEL為0的低脈沖，以便對(duì)片內(nèi)的寄存器復(fù)位，否則寄存器的值就不確定，復(fù)位是使之等于缺省值.當(dāng)SEL=0時(shí)，禁止串口模式，此時(shí)串口關(guān)閉，串口引腳成為設(shè)置引腳，分別是OE、STPD、MSBI，這種模式屬于硬件配置模式.圖4所示的就是這種模式.非串口模式設(shè)置非常方便，是經(jīng)常采用的一種模式.

STPD:省電模式控制，為1時(shí)省電工作模式，為0時(shí)正常工作模式.

圖4 FPGA實(shí)現(xiàn)的緩沖、控制和接口Fig.4 Buffer，control and interface realized by FPGA

MSBI:輸出數(shù)據(jù)D［11:0］的編碼方式控制.為0時(shí)是SOB編碼，為1時(shí)是BTC編碼.這2種編碼只是符號(hào)位的規(guī)定不同.對(duì)BTC編碼，符號(hào)位為0表示正數(shù)，為1表示負(fù)數(shù).SOB編碼剛好相反.INT:參考電壓選擇控制，為0是使用外部參考電壓，為1時(shí)使用內(nèi)部參考電壓.使用內(nèi)部產(chǎn)生的參考電壓時(shí)省去了外部參考電壓設(shè)計(jì)，可以減小PCB的面積，圖4就是使用內(nèi)部參考電壓的一種設(shè)計(jì)，可參考數(shù)據(jù)手冊(cè)中的 Figure 21［1］.

WADDR:雙口RAM的寫地址，由控制模塊產(chǎn)生，初值設(shè)置為0，每當(dāng)時(shí)鐘CLK的下降沿到來(lái)時(shí)自動(dòng)加1.當(dāng)加到最大地址時(shí)自動(dòng)回到0.需要注意的是，雙口RAM的寫地址和讀地址不能同時(shí)相等，否則就會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤.

WEN:寫使能，其為1時(shí)可以向雙口RAM寫入數(shù)據(jù)，其為0時(shí)不能寫入.根據(jù)緩沖區(qū)是否寫滿、數(shù)據(jù)是否讀完和采集的觸發(fā)條件是否滿足等來(lái)定義WEN的邏輯值.

3 結(jié)語(yǔ)

使用FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)高速ADC的控制以及與應(yīng)用電路的接口是一種理想而實(shí)用的方案，本設(shè)計(jì)中使用的高速ADC芯片是ADS5232，其采樣速率最高為65MS/s，精度12bit，雙通道同步采樣，差分模擬輸入.FPGA不僅能實(shí)現(xiàn)高速控制、高速緩沖和高速接口，還可以擴(kuò)展其他功能，例如，將2個(gè)采樣通道對(duì)同一個(gè)模擬信號(hào)進(jìn)行交叉采樣，采樣時(shí)鐘相位差180°時(shí)，可以將采樣速率提高到 2倍，即到達(dá)130MS/s.相位差為180°的時(shí)鐘可以使用FPGA內(nèi)部的鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn).ADC前端電路根據(jù)具體情況可以適當(dāng)修改，例如增加一定的信號(hào)調(diào)理電路，修改變壓器的匝數(shù)比N等.本設(shè)計(jì)提供了一種高速數(shù)據(jù)采集的參考電路和設(shè)計(jì)方法，具有一定范圍的實(shí)用性和普遍性，可以應(yīng)用于高清數(shù)字視頻采集、醫(yī)學(xué)圖像采集、測(cè)量?jī)x表和通信基站等領(lǐng)域.

［1］Texas Instruments Inc.ADS5232 data sheet［EB/OL］.(2006-03)［2010-05］.http://www.ti.com/.

［2］程耀林，李享元，何湘竹.用于虛擬儀器的USB2.0接口高速數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2011，19(5):1220-1222，1256.

［3］Texas Instruments Inc.ADS5232 EVM user’s guide［EB/OL］.(2007-06)［2012-05］.http://www.ti.com/.

［4］Texas Instruments Inc.THS4503 data sheet［EB/OL］.(2002-03)［2012-10］.http://www.ti.com/.

［5］Altera Corporation.Cyclone II Device Handbook，Volume1［EB/OL］.(2005-03)［2010-07］.http://www.altera.com.cn/.