基于AD9226的FPGA高速数据采集电路设计

2021-07-02钱素琴孙悦

电子测试 2021年11期

钱素琴，孙悦

（东华大学，上海，201620）

0 引言

在科学技术研究和工业生产的各行各业中，数据采集处理系统应用广泛，如文献1将其应用在箭载测控系统中[1]，文献2将其应用在套管井超声成像系统中[2]等。数据采集作为工业控制等系统中的重要环节，是不可缺少的部分，数据采集的性能特点直接影响到整个系统[3]。目前，数字电路设计在向着高速、超高速的方向发展，对数据采集系统的要求也越来越高。在这样的背景下，具备高速率采样的ADC大量涌现，呈现出速度更快、通道更多、数据量更大的发展趋势[4]。

美国ADI公司设计生产的模数转换器可广泛应用在图像、通信系统以及医疗超声波设备中，本文所选用的该公司的AD9226芯片已经在一些文献中有过应用。如在文献5、6中设计的数据采集系统或板卡都达到了40 Msps的采样率[5][6]，但是其采样输入范围比较小。

本文同样在AD9226这个芯片的基础上进行设计，设计方案对输入范围进行了改善，将原来的 1V～3V 扩大到了-5V～+5V；同时还考虑到了如果随意提升传输速度，信号传输可能会遇到的串扰、噪声等问题，进行了电源电路的设计。此外，系统控制设计采用FPGA实现，FPGA器件兼有可编程性和高速I/O的技术优势，可以满足串行传输协议及演变进化的需求，已经成为实现串行接口应用的理想平台[7]。最终，在FPGA的基础上对双通道的高速数据采集系统进行了测试验证，成功采集到了50 Msps的数据。

1 电路总框架

本文中基于AD9226的外围电路设计主要包括衰减电路、AD转换电路和电源电路三部分，总框架如图1所示。

图1 电路总框架

从框架中可以看出信号采集的流程是比较简单明了的：输入范围在-5V～+5V内的输入信号，经过电位移动及其衰减电路变换到AD9226芯片的信号采集范围1V～3V，再输入到AD转换电路完成信号的模数转换，最后通过FPGA控制传输到PC机。在这个过程中，AD转换电路为点位移动及其衰减电路提供2V的基准电压，电源电路为其他电路和FPGA供电。

下面对涉及的三部分电路分别进行说明。

2 AD转换电路

这部分的作用是将模拟信号转换成数字信号，图2给出了用AD9226实现模数转换的电路。

图2 AD转换电路

2.1 AD9226模数转换器

本文所选的模数转换器AD9226接口十分方便，其优势在于它具有片内高性能采样保持放大器和参考电压源，具有信号溢出指示位，并可直接以二进制形式输出数据；另外，AD9226采用的带有误差校正逻辑的多级差动流水线式结构，能够保证在整个工作温度范围内不失码，获得精确的12位数据；同时，AD9226还具有较低的功耗和较高的信噪比。

AD9226有28-Lead SSOP和48-Lead LQEP两种封装格式，本文的设计中用到的是28脚的芯片。

表1对各个引脚的功能进行了简单的介绍。

表1 AD9226引脚功能描述

2.2 模数转换电路分析

图2中，外部时钟输入CLK引脚；采集的信号输入VINA引脚；BIT1～BIT12引脚输出模数转换后的结果；OTR为溢出标志引脚，该引脚为高电平时，说明输入信号超出了AD9226量程范围。

+5V为模拟电压输入，3.3V为数字电压输入。GND为数字地，AGND为模拟地。数字地和模拟地其实在本质上都是地，将二者区分开主要有两个原因：一是数字信号和模拟信号会互相串扰；二是模拟信号对地的要求比数字信号对地的要求高得多。

SENSE引脚接地，则芯片使用内部参考源，该模式下内部参考电压从VREF输出，大小为2V，这一参考电压会被提供给衰减电路。

3 电位移动及其衰减电路

AD9226的输入是有一定范围要求的，本次设计中参考电压VREF为2V，芯片可采集1V～3V的信号，都是正值且输入范围较小。为了能采集更大范围的数据，就需要在AD模数转换电路前添加一个电位移动及其衰减电路，电路如图3所示。在该电路的作用下，能够将-5V～+5V的电压转换到1V～3V。

图3 电位移动及其衰减电路

电路图左下角输入VREF基准电压2V，由AD9226的VREF引脚提供，经过电压跟随器Ua和反向比例放大器Ub得到-2V的NREF。其中，电压跟随器的输出电压与输入电压是相同的，因为电压放大器的输出阻抗一般比较高，通常在几千欧到几十千欧，如果后级的输入阻抗比较小，那么信号就会有相当的部分损耗在前级的输出电阻中，所以前面需要电压跟随器，一方面提高输入阻抗，另一方面降低输出阻抗，从而从中进行缓冲，起到承上启下的作用。

当ADCIN输入+5V的电压时，由R1和R2的阻值可知A点电压为0.5V，则NREF到B点的电压差值为2.5V，所以B点和C点的电压差值也为2.5V，即C点电压为3V；同理当ADCIN输入-5V的电压时，由R1和R2的阻值可知A点电压为-0.5V，则NREF到B点的电压差值为1.5V，所以B点和C点的电压差值也为1.5V，即C点电压为1V。这样就使得输入信号由-5V～+5V衰减到1V～3V，扩大了采集范围。

4 电源电路

从图1的电路总框架中可以看出，电源电路需要给其他电路和FPGA供电。结合图2和图3的电路以及FPGA的电压需求，电源电路部分需要生成-5V及3.3V的电压；除此之外还要考虑电源的消噪。

3.3V的生成电路用到了常规的AMS1117电压转换芯片，本文中不再赘述。下面主要对-5V的生成及消除噪声的电源转换电路进行说明。

4.1-5V电压生成电路

本文中借助DC-DC变换器控制电路MC34063来生成-5V的电压，下面对其进行具体的说明。

4.1.1 MC34063 DC-DC变换器

MC34063是一单片双极型线性集成电路，专用于直流-直流变换器控制部分。它能使用最少的外接元件构成开关式升压变换器、降压变换器和电源反相器。其引脚及内部框图如图4所示。

图4 MC34063引脚及内部框图

其中，5脚电压比较器反相输入端同时也是输出电压取样端。

本文中利用的是MC34063反向变换的功能，将+5V电压转换为-5V电压。下面给出反向变换电路，并结合MC34063内部框图对电源变换进行说明。

4.1.2 反向变换电路

采用MC34063芯片构成的开关反压电路如图5所示。

图5-5V电压生成电路

当芯片内部开关管T1导通时，电流经MC34063的SC脚、SE脚和电感L1流到地，电感L1存储能量。此时由C3向负载提供能量。当T1断开时，由于流经电感的电流不能突变，因此，续流二极管D3导通。此时，L1经D3向负载和C3供电(经公共地)，输出负电压。这样，只要芯片的工作频率相对负载的时间常数足够高，负载上便可获得连续直流电压。MC34063芯片的内部参考电压值为1.25V，故直流电压的值为Vout=-1.25(1+R9/R8)=-5V。

4.2 消除噪声的电源转换电路

在电源电路部分，除了各个电压值的转换之外，还需要考虑消除噪声的问题。图6给出了消除噪声的电源转换电路。

图6 消除噪声的电源转换电路

图中-5V0是电压转换电路中生成的电源，-5V是消除噪声后的电源；GND为数字地，AGND为模拟地，将二者区分开来防止数字信号与模拟信号的串扰。电路中用到的几个电源信号之间是通过磁珠FB1和FB2来进行消噪的。

磁珠专用于抑制信号线、电源线上的高频噪声和尖峰干扰，还具有吸收静电脉冲的能力。磁珠的功能主要是消除存在于传输线结构（电路）中的RF噪声，RF能量是叠加在直流传输电平上的交流正弦波成分，直流成分是需要的有用信号。要消除这些不需要的信号能量，使用片式磁珠扮演高频电阻的角色（衰减器）。

磁珠有很高的电阻率和磁导率，它等效于电阻和电感串联，但电阻值和电感值都随频率变化。磁珠起作用的主要方式是在高频率下利用电感成分反射噪声，利用电阻成分把噪音转换成热量，由此达到抑制噪声的作用；它比普通的电感有更好的高频滤波特性，在高频时呈现阻性，所以能在相当宽的频率范围内保持较高的阻抗，从而提高调频滤波效果。

5 测试

本文在FPGA的基础上对双通道的AD采样进行测试验证。

5.1 采样时序

AD9226采用单一的时钟信号来控制内部所有的转换，其采样时序如图7所示：

图7 采样时序

图中TOD为数据延迟时间，最小值为3.5ns，最大值为7.0ns。从图中可以看出，由于AD9226采用的多级流水结构，其在每个时钟周期的上升沿捕获一个采样值，七个周期以后才可以输出转换结果。

5.2 程序主要模块

本实验中,程序将信号发生器产生的波形动态的显示到软件Signaltap上,另外把AD采集到的数据定时的发送到串口,电脑上的串口调试工具上显示实际采集到的AD数据值。

整个程序包含一个顶层模块 ad9226_test.v 和三个子模块：AD 转化模块(ad.v)，数据转换模块(volt_cal.v)，串口发送程序(uart.v)。其中AD转化模块ad.v完成AD数据的采集；数据转换模块volt_cal.v完成电压和16进制到十进制的格式转换；串口发送程序uart.v完成采集数据的ASIC 码的串口数据发送。以下主要介绍采样相关的AD转化模块（ad.v）和数据转换模块（volt_cal.v）。

5.2.1 AD转化模块ad.v

在本实验中输出的AD数据采集的时钟频率为50Mhz，数据在时钟的上升沿采样。另外AD9226输出数据的高位为bit0，所以程序中需要把数据位的次序对倒一下。下面给出了主要的对倒数据位次序的程序。