DRFM的數(shù)據(jù)采集前端的設(shè)計(jì)

2．1 MAXlOlA的主要特點(diǎn)
??? ADC芯片是數(shù)據(jù)采集的核心器件，本系統(tǒng)中A／D轉(zhuǎn)換器采用MAXIM公司的MAXlOlA，它的最高采樣速率可達(dá)到500 Msps，采樣精度為8 bit。本文采用兩片MAXl01A交替采樣，以使系統(tǒng)達(dá)到1 Gsps的采樣速率。MAXlOlA主要特點(diǎn)如下：
??? ◇具有500 MHz轉(zhuǎn)換速率；
??? ◇在250 MHz時(shí)的有效位為7．0位；
??? ◇1．2 GHz模擬輸入帶寬；
??? ◇誤差小于±1／2LSB INL；
??? ◇帶50 Ω差分或單端輸入；
??? ◇具有±250 mV的模擬輸入范圍；
??? ◇數(shù)據(jù)通路可雙路鎖存輸出；
2．2 MAXl01A的原理
??? (1)多位轉(zhuǎn)換
??? MAXl01A采用并行結(jié)構(gòu)(即閃爍結(jié)構(gòu))進(jìn)行比普通積分ADC更快的多位轉(zhuǎn)換。典型的n位閃爍結(jié)構(gòu)含有(2n-1)個(gè)比較器，其負(fù)輸入端均勻的從基準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)階梯電阻的底部排布到頂部，各占據(jù)一個(gè)LSB增量值。MAXl01A是一個(gè)單片雙交叉并行量化的芯片，它內(nèi)部具有兩個(gè)獨(dú)立的8位轉(zhuǎn)換器，n=8時(shí)，應(yīng)有255個(gè)比較器。這些轉(zhuǎn)換器將結(jié)果傳送給A、B兩組輸出端，并在輸入時(shí)鐘交替負(fù)邊沿鎖存它們。
??? (2)跟蹤／保持
??? MAXlOlA內(nèi)部自帶的跟蹤／保持放大器提升了獲得有效數(shù)據(jù)位的性能，并允許在高轉(zhuǎn)換速率情況下仍以較高的精度捕捉模擬數(shù)據(jù)。其內(nèi)部
Track／Hold電路為MAXIMA提供了兩個(gè)重要的功能：一是它的4倍額定增益減少了輸入差動(dòng)電壓的振幅，對(duì)±1．02 V基準(zhǔn)源，輸入信號(hào)為+250
mV；二是提供一個(gè)差動(dòng)的50 Ω輸入，使MAXl01A接口應(yīng)用極為方便。
??? (3)數(shù)據(jù)流
??? MAXlOlA內(nèi)部的跟蹤／保持放大器為ADC提供模擬輸入電壓的采樣。而T／H放大器被同時(shí)分為兩部分，分別工作在交替的時(shí)鐘負(fù)邊沿。輸入時(shí)鐘CLK應(yīng)滿足T／H放大器要求，同時(shí)還可回饋給A／D部分。輸出時(shí)鐘DCLK用于數(shù)據(jù)定時(shí)，是輸入時(shí)鐘CLK的2分頻或10分頻。
2．3 MAXlOlA的應(yīng)用
??? (1)模擬輸入范圍
??? 雖然正常工作范圍為+250 mV，但對(duì)MAXl01A的每個(gè)輸入端而言，其對(duì)地的輸入范圍實(shí)際上為±500 mV，這擴(kuò)展了包括模擬信號(hào)和任何DC共模的電壓的輸入電平。要在差動(dòng)輸入模式下得到滿量程的數(shù)字輸出，應(yīng)在AIN+和AIN-之間加+250 mv電壓，也就是說(shuō)，AIN+=+125 mV，AIN-=-125mV (無(wú)直流偏置)。在模擬輸入端之間無(wú)電壓差時(shí)，會(huì)出現(xiàn)中間刻度數(shù)字分驅(qū)動(dòng)為-250mV，即AIN+=-125 mV，AIN-=+125 mV時(shí)，會(huì)出現(xiàn)零刻度數(shù)字輸出代碼。
??? (2)基準(zhǔn)
??? ADC的基準(zhǔn)電阻確定了ADC的最低有效位(LSB)的大小和動(dòng)態(tài)工作范圍。通常，電阻串的底部和頂部都是由內(nèi)部緩沖放大器驅(qū)動(dòng)的。在ADC的基準(zhǔn)輸入端加RC網(wǎng)絡(luò)可獲得最佳性能，可將一個(gè)33 Ω電阻與驅(qū)動(dòng)該基準(zhǔn)電阻串的緩沖輸出級(jí)相聯(lián)，而0．47μF電容必須接在緩沖輸出級(jí)的電阻器旁邊。這個(gè)電阻與電容的組合必須位于MAXl01A封裝的0．5英寸(1．27 cm)之內(nèi)。任一端接點(diǎn)的噪聲都會(huì)直接影響代碼的檢測(cè)，并且降低ADC的有效數(shù)據(jù)位指標(biāo)。3)時(shí)鐘CLK和DCLK
??? MAXl01A的所有輸入時(shí)鐘和輸出時(shí)鐘都是差動(dòng)的。輸入時(shí)鐘CLK和DCLK是MAXl01A的基本定時(shí)信號(hào)。CLK和DCLK通過(guò)內(nèi)部一個(gè)50 Ω電阻傳輸線鎖到內(nèi)部電路。只有一對(duì)CLK和DCLK輸入端被驅(qū)動(dòng)，而其他對(duì)耦端子通過(guò)該50 Ω?jìng)鬏斁€接到-2 V。對(duì)簡(jiǎn)單電路連接而言，任一對(duì)輸入端子都可以用作被驅(qū)動(dòng)的端子。DCLK和／DCLK是由輸入時(shí)鐘產(chǎn)生的輸出時(shí)鐘，用于數(shù)據(jù)分組A和B的內(nèi)部輸出定時(shí)(A組數(shù)據(jù)在DCLK的上升沿后有效。B組數(shù)據(jù)在下降沿后有效)。在正常模式下，它們是輸入時(shí)鐘速度的一半的時(shí)鐘信號(hào)。MAXl01A可以工作在輸入時(shí)鐘高達(dá)500 MHz的頻率上。
??? (4)輸出模式控制(DIVl0)
??? 當(dāng)MAXl01A的DIVl0腳接地時(shí)，它工作于檢測(cè)模式。這時(shí)輸入時(shí)鐘被10分頻，從而將輸出數(shù)據(jù)和時(shí)鐘頻率降至1／5，但仍保證輸出時(shí)鐘的占空比為50％，而接輸出定相的時(shí)鐘保持不變，這樣每5個(gè)輸入采樣值中就有4個(gè)被丟掉。反之，當(dāng)DIVlO腳懸空時(shí)，它被內(nèi)部電阻拉低，MAX-lolA工作于正常模式。
??? (5)布線、接地和電源
??? 正常工作時(shí)，MAxl01A需要一個(gè)+5×(1±0．01) V的正電源和一個(gè)-5．2×(1±0．01)V的負(fù)電源。用高質(zhì)量的0．1μF和0．01μF的陶瓷電容，將VTT和Vcc電源旁路，并且在盡可能靠近引腳的地方接地。需將所有接地引腳接到地平面，可優(yōu)化抗噪聲性能并提高器件的應(yīng)用精度。

3 數(shù)據(jù)緩存模塊設(shè)計(jì)
??? 數(shù)據(jù)緩存器使用Ahera公司的FLEXlOKE系列CPLD。該設(shè)計(jì)利用FLEXlOKE器件實(shí)現(xiàn)高速FIFO，由于作為數(shù)據(jù)緩存的FIF0的輸入輸出時(shí)鐘頻率不能相同，所以必須使用雙時(shí)鐘FIFO。且該類器件用低電壓供電，大大降低了系統(tǒng)功耗，提高了系統(tǒng)的靈活性和可靠性。
??? 本文所介紹的系統(tǒng)使用VHDL硬件描述語(yǔ)言來(lái)對(duì)FLEXlOKE進(jìn)行編程，編程環(huán)境為MAX+PLUSⅡV9．6扳本。
??? VHDL編程采用模塊式設(shè)計(jì)。首先建立4個(gè)模塊，即FIF0、MUX、counterl、counter2。其中的FIFO既可以調(diào)用lpm-FIF0(dualClock)來(lái)修改其中的一些關(guān)鍵參數(shù)以符合要求，也可以手工編寫程序?qū)崿F(xiàn)，這里采用調(diào)用宏模塊的方式。值得注意的是，F(xiàn)IFO的輸入輸出時(shí)鐘頻率不同，因此必須采用雙時(shí)鐘FIF0。MUX、counterl、counter2是配合FIF0使用的多路復(fù)用器和分頻器(計(jì)數(shù)器)，均應(yīng)手工編寫其源程序。幾個(gè)子模塊完成以后，要新建一個(gè)總的系統(tǒng)模塊(system)來(lái)調(diào)用子模塊，以在system模塊中完成系統(tǒng)端口的定義以及各個(gè)子模塊之間的邏輯關(guān)系描述。這種設(shè)計(jì)有利于邏輯設(shè)計(jì)的集成化，從而為后續(xù)的改進(jìn)提供方便。圖2為編譯通過(guò)后的系統(tǒng)仿真波形圖。

4 結(jié)束語(yǔ)
??? 本文以DRFM設(shè)計(jì)為核心，著重介紹了DRFM的數(shù)據(jù)采集前端的設(shè)計(jì)思路和方法。在超高速數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域，數(shù)百兆乃至1 GHz的采樣速度非但在國(guó)內(nèi)，即就在國(guó)外也是電路設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。使用基于SRAM的CPLD可以有效避開(kāi)使用高速FIFO作為緩存器帶來(lái)的高功耗、高開(kāi)銷的影響。數(shù)據(jù)緩存可以在一個(gè)片子內(nèi)實(shí)現(xiàn)，降低了硬件的復(fù)雜度，減小了系統(tǒng)的功耗。更加值得關(guān)注的是，這類CPLD具有icr，即在電路可重配置，可以通過(guò)對(duì)其編程的方法其修改電路功能，這樣就為后續(xù)的系統(tǒng)改進(jìn)打下了良好的基礎(chǔ)。