基于FPGA采樣技術(shù)的等效時(shí)間采樣原理剖析

在現(xiàn)代電子測(cè)量、通訊系統(tǒng)以及生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，經(jīng)常涉及對(duì)寬帶模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)，以便計(jì)算機(jī)進(jìn)一步進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。為了對(duì)高速模擬信號(hào)進(jìn)行不失真采集，根據(jù)奈奎斯特定理， 采樣頻率必須為信號(hào)頻率的2 倍以上，但在電阻抗多頻及參數(shù)成像技術(shù)中正交序列數(shù)字解調(diào)法的抗噪性能對(duì)信號(hào)每周期的采樣點(diǎn)數(shù)決定，采樣點(diǎn)數(shù)越多，抗噪性能越高。當(dāng)采樣信號(hào)頻率很高時(shí)，為了在被采樣信號(hào)的一周期內(nèi)多采樣，就需要提高采樣時(shí)鐘的頻率，但是由于系統(tǒng)的ADC 器件時(shí)鐘速率并不能達(dá)到要求的高頻速率或者存儲(chǔ)處理速度等不能滿足要求因此我們可以采用低速ADC 器件通過等效時(shí)間采樣來對(duì)寬帶模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集從而使系統(tǒng)易于實(shí)現(xiàn)。

1 等效時(shí)間采樣原理

等效時(shí)間采樣技術(shù)是把周期性或準(zhǔn)周期性的高頻、快速信號(hào)變換為低頻的慢速信號(hào)。在電路上只對(duì)取樣前的電路具有高頻的要求，大大降低采樣變換后的信號(hào)處理、顯示電路對(duì)速度的要求，簡(jiǎn)化了整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度。等效時(shí)間采樣分為順序采樣（sequential equivalent sampling）、隨機(jī)采樣（random equivalent sampling） 以及結(jié)合這兩種方式的混合等效采樣（compound equivalent sampling）。在文獻(xiàn)［3］、［4］中分別介紹了兩種硬件實(shí)現(xiàn)的等效時(shí)間采樣中的順序采樣。

下面我將介紹等效時(shí)間采樣中的混合時(shí)間采樣，對(duì)于周期性信號(hào)的等效時(shí)間采樣如圖1（a）所示。

在第一周期中的橫軸（時(shí)間）的第2 與第6 處的時(shí)鐘上升沿對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采樣，圖中的箭頭表示采樣時(shí)刻。在一個(gè)周期中可以采集兩個(gè)點(diǎn)，緊接著在第二個(gè)周期橫軸的第11與第15 處的時(shí)鐘上升沿對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采樣。為了方便觀察在此將第一至第五周期的波形縱向排列?？梢钥吹降诙芷诒鹊谝恢艿牟蓸狱c(diǎn)距離各自周期起始點(diǎn)的時(shí)間晚了一個(gè)時(shí)鐘周期。第三周期比第二周的采樣點(diǎn)距離第三周期起始點(diǎn)的時(shí)間晚了一個(gè)時(shí)鐘周期。在第四周期進(jìn)行采樣時(shí)我們可以發(fā)現(xiàn)第二個(gè)采樣點(diǎn)已經(jīng)進(jìn)入第五周期。如果我們?cè)诘谖逯芷谥茉噲D繼續(xù)用以上方式進(jìn)行采樣即第五周期比第四周的采樣點(diǎn)距離起始點(diǎn)的時(shí)間晚一個(gè)時(shí)鐘周期，那么我們會(huì)發(fā)現(xiàn)在第五周期的采樣起始點(diǎn)采樣到的值重復(fù)了第一周期采樣到的數(shù)值。所以此時(shí)我們可以終止采樣那么我們就得到了如圖1 中的第6 個(gè)波形示意圖所表示的在一個(gè)周期的正弦波形中采到的8 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。

在文獻(xiàn)［5］中給出了等效時(shí)間采樣中每個(gè)周期可以采集多個(gè)點(diǎn)時(shí)的理論依據(jù)，在文獻(xiàn)［6］中給出了等效時(shí)間采樣中每個(gè)周期可以采集單個(gè)點(diǎn)時(shí)的理論依據(jù)。

我們通過將高頻時(shí)鐘進(jìn)行分頻已達(dá)到或者接近滿足處理速度時(shí)鐘要求。在圖1（b）中幅度最小的時(shí)鐘信號(hào)為采樣時(shí)鐘。由圖1（b）可以很清楚的看到分頻后的時(shí)鐘波形，分頻后的時(shí)鐘波形在時(shí)鐘的上升沿對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣，那么就會(huì)得到如圖1（a）中所表示的等效時(shí)間采樣。

圖1 等效時(shí)間采樣示意圖

2 基于FPGA的等效時(shí)間采樣實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)框圖

系統(tǒng)的總體框圖如圖2，F(xiàn)PGA 控制的等效采樣時(shí)鐘連接到ADC 器件的時(shí)鐘部分，ADC 器件在時(shí)鐘的控制下對(duì)寬帶模擬信號(hào)進(jìn)行采樣，采集到的數(shù)據(jù)傳送到FPGA 中的FIFO，F(xiàn)PGA 再將FPGA 中FIFO 的數(shù)據(jù)傳遞到USB 中的FIFO，然后USB 將USB 中FIFO 數(shù)據(jù)推送到計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行重構(gòu)處理。對(duì)于信號(hào)周期的獲取，在電阻抗多頻及參數(shù)成像技術(shù)中采集信號(hào)的周期是由發(fā)送信號(hào)的周期決定， 而對(duì)于其他復(fù)雜周期信號(hào)的周期獲得可以通過所采用的方法獲得。

圖2 系統(tǒng)方案框圖

2.2 等效時(shí)間采樣時(shí)鐘的程序?qū)崿F(xiàn)

圖3 展示了基于FPGA 生成的等效時(shí)間采樣模塊的輸入端口與輸出端口。其中CLK 表示高頻時(shí)鐘的輸入，RESET表示的是復(fù)位輸入端，F(xiàn)REN_CON 表示的是分頻控制輸入用于控制高頻時(shí)鐘的分頻數(shù)，SANM_CONT 表示的是模擬信號(hào)的周期包含多少個(gè)高頻時(shí)鐘信號(hào)的波形，CLK_ADC_OUT 表示的是輸出時(shí)鐘端口，此端口連接到模數(shù)轉(zhuǎn)換器件（ADC）的時(shí)鐘輸入端口。

圖3 等效時(shí)間采樣模塊圖

以下是實(shí)現(xiàn)等效時(shí)間采樣所需時(shí)鐘的代碼：

SIGNAL SAMP_CONTS:STD_LOGIC_VECTOR （11

DOWNTO 0）：=（OTHERS=》‘0’）；

SIGNAL ADC_CLK_BANK:STD_LOGIC_VECTOR （11

DOWNTO 0）：=（OTHERS=》‘0’）；

SIGNAL CLK_CNT ：INTEGER RANGE 0 TO 5000：=0；

SIGNAL CLK_TANK:STD_LOGIC：=‘0’；

SIGNAL EN ：STD_LOGIC：=‘1’；

BEGIN

PROCESS（CLK，RESET）

BEGIN

IF RESET=‘1’ THEN EN《=‘1’；

ELSE

IF CLK‘EVENT AND CLK=’1‘ THEN

IF SAMP_CONTS

SAMP_CONTS《=SAMP_CONTS+’1‘；

IF ADC_CLK_BANK

ADC_CLK_BANK《=ADC_CLK_BANK+’1‘；

ELSE EN《=’0‘；

END IF；

ELSE

ADC_CLK_BANK《=（OTHERS=》’0‘）；

SAMP_CONTS《=（OTHERS=》’0‘）；

EN《=’1‘；

END IF；

END IF；

END IF；

END PROCESS；

---分頻控制部分程序，作ADC 的時(shí)鐘使用

PROCESS（CLK，RESET，EN）

BEGIN

IF RESET=’1‘ THEN

CLK_TANK《=’0‘；

CLK_CNT《=0；

ELSE

IF EN=’1‘ THEN

IF CLK’EVENT AND CLK=‘1’ THEN

IF （CLK_CNT=（CONV_INTEGER （FREN_CON）/2） -1）

THEN

CLK_TANK《=NOT CLK_TANK；

CLK_CNT《=0；

ELSE CLK_CNT《=CLK_CNT+1；

END IF；

END IF；

ELSE

CLK_TANK《=‘0’；

CLK_CNT《=0；

END IF；

END IF；

END PROCESS；

CLK_ADC_OUT《=CLK_TANK；

END；

3 波形仿真

圖4 中的波形仿真是以模擬信號(hào)的一周期等于8 個(gè)CLK 時(shí)鐘周期，CLK_ADC_OUT 是對(duì)CLK 進(jìn)行4 分頻且分頻后的時(shí)鐘占空比為50%為假設(shè)的。1 號(hào)箭頭指向的時(shí)鐘上升沿標(biāo)志著第一周期結(jié)束，上升沿之后進(jìn)入第二周期。同理，2號(hào)箭頭所指時(shí)鐘的上升沿標(biāo)志著第二周期的結(jié)束，上升沿之后標(biāo)志著進(jìn)入第三周期。

圖4 波形仿真

在第一個(gè)周期中從CLK 的第一個(gè)上升沿開始計(jì)時(shí)同時(shí)對(duì)CLK 進(jìn)行分頻可以得到CLK_ADC_OUT 時(shí)鐘信號(hào)， 在第一周期中在CLK 的第二個(gè)上升沿CLK_ADC_OUT 電平翻轉(zhuǎn)（存在延時(shí)）， 在第二周期中在第三個(gè)上升沿CLK_ADC_OUT電平翻轉(zhuǎn)， 在第三個(gè)周期中在CLK 的第四個(gè)上升沿CLK_ADC_OUT 電平翻轉(zhuǎn)?？梢钥闯霾ㄐ畏抡鎴D是對(duì)圖1（a）、（b）兩圖表達(dá)時(shí)鐘的實(shí)現(xiàn)。在這里應(yīng)該注意到，在第一周期中雖然也有8 個(gè)CLK 的上升沿，但是并沒有表示出如1 號(hào)箭頭所指CLK 時(shí)鐘上升沿之后與第二周期第一個(gè)CLK 時(shí)鐘上升沿之間的波形。

4 結(jié)論

本文介紹的等效時(shí)間采樣技術(shù)由于使用了FPGA 采樣技術(shù)， 使得在被采樣信號(hào)的一個(gè)周期中相較于一個(gè)周期僅能采集一個(gè)點(diǎn)的順序等效時(shí)間采樣有很大的提高，并且可以控制被采集信號(hào)一個(gè)周期中的采集點(diǎn)數(shù)從而可以根據(jù)后續(xù)器件處理速度實(shí)現(xiàn)變頻控制采樣。通過FPGA 實(shí)現(xiàn)等效采樣時(shí)間，降低了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度，同時(shí)可以十分方便的對(duì)代碼進(jìn)行修改使系統(tǒng)的調(diào)試更加簡(jiǎn)便。