硕士学位论文-高速信号采集与显示系统的设计与实现研究.pdf

分类号： u d c ： y9 3 6 8 8 5 密级 编号 工学硕士学位论文 高速信号采集与显示系统的 设计与实现研究 硕士研究生 指导教师 学位级别 学科、专业 所在单位 论文提交日期 论文答辩日期 学位授予单位 郑德银 蔡平教授 工学硕士 信号与信息处理 水声工程系 2 0 0 6 年2 月 2 0 0 6 年3 月 哈尔滨工程大学 哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 高速信号采集显示系统通过使用大规模集成电路和液晶显示器，起到了 一个简易示波器的作用，可以把模拟信号经过处理后直观地显示出来，方便 了对信号的处理与分析。本文对高速信号采集显示系统的设计和实现进行了 详细论述，提出了一种新的设计思路，并充分体现了系统体积小、功能强的 设计要求。 本文中设计的高速信号采集显示系统采用非常简洁的d s p + f p g a 设计结 构，使用l c d 显示器，并为用户提供友好的菜单界面。t i 公司的t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 作为系统的核心，它调控整个系统的运行，同时完成对数据的处理。a l t e r a 公司的f p g a ( 现场可编程门阵列) 作为系统的外围控制器，实现系统的其它很 多功能模块，包括l c d ( 液晶显示) 控制器、f i f o ( 先进先出存储器) 、采样时 钟控制器，等等。 本论文对系统的设计与实现进行了研究。论文的主要研究工作包括：系 统的硬件设计：整个系统软件的编写，其中主要在于开发d s p 的程序和f p g a 的v h d l 程序。 本系统的实现为实验中的信号处理与分析提供了一个比较实用和可靠的 测试平台。 关键词：数字信号处理器；现场可编程门阵列；先进先出存储器；液晶显示 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t a sas i m p l eo s c i l l o 铲a p h ，h i g hs p e e ds i g n a la c q u i s i t i o n & d i s p l a ys y s t e m u s i n gl s i c ( 1 a 唱es c a l ei n t e 斟a t i o nc i r c u i t s ) a r l dl c d ( 1 i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ) ，i tc a n d i r e c t l yd i s p l a ya n a l o gs i 酗a l sw a v e ，a n a l y z ea i l dp r o c e s sa 1 1 a l o gs i g n a i se a s i l y 1 1 1 ed e s i 印a 1 1 dh n p l e m e n t a t i o no ft l l i ss y s t e mw a sd i s c u s s e di nd e t a i l e di nm e d i s s e n a t i o n ，w h i c hr e a l i z e db yan e wd e s i g ni d e a ，f e a t u r e ds m a l ls i z ea n d p o w e r 血lf u n c t i o n s t h es y s t e md i s c u s s e di n 也ed i s s e r t a t i o nh a st h ec o m p a c ta r c h i t e c t u r eb u i l t w i md s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) a 1 1 df p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l ega _ c ea i r a y ) b yu s i n gl c d ( 1 i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ) i tp r o v i d e sm e 矗i e n d l ym e n ui n 蛐c ef o r u s e r sc o n v e n i e n to p e r a t i o n t h ee m b e d d e dp r o c e s s o rt m s 3 2 0 v c 5 4 1 6o ft ii n c c o m r 0 1 st h e 、v ：l es y s t e m ，a n da tt l l es 啪et i m ei tf u n c t i o n sd a t ap r o c e s s i n g t h e f p g ao fa l t e r ai n c w o r k sa sai m p o r t a l l tp a n ，谢t l l ，h i c hm a n yf m l c t i o n a l m o d u l e s ，i i l c l u d i n gac o n t r 0 1 1 e ro fl c dd i s p l a y af i f 0 ( f i r s ti n 矗r s to u t ) m e m o r y ， ac o n t r o l l e ro fs a 访l i n gc l o c k ，a 1 1 ds oo n ，w e r ei m p l e m e m e d t h ed i s s e r t a t i o ne m p h a s i z e do nt h ed e s i g na n di m p l e m e m a t i o no f t h eh a r d w a r e a n ds o 舒a r eo ft h es y s t e m i nt h es o 脚a r e ，m ep f o g r a mo fd s p 髓df p g aw e r e m a i n l yd i s c u s s e d t h ei m p i e m e m a t i o no ft h i ss y s t e mp r o v i d e sau s e f i l la n dc r e d i b l et e s tf l a tf o r t h es i 印a lp r o c e s s i n ga i l da n a l y z i n gi ne x p e r i m e m a t i o n k e yw o r d s ：d s p ( d i g i 诅ls i g n a lp r o c e s s o r ) ；f p g a ( f i e l dp r o 铲a m m a b l eg a t ea 珊l y ) f 巧0 ( f i r s ti nf i r s to m ) ； l c d ( 1 i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ) 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献等的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中 已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：型! 望鱼 日 期：删年乡矽日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 近年来，随着社会的发展和科技的进步，信号处理技术在各个科学和技 术领域中已经成为一种重要的现代化工具。从本世纪六十年代以来，数字信 号处理技术逐渐成为信号处理领域的主力，在各个不同的领域，如生物医学 工程、声学、声纳、雷达、地震学、语音通信、数据通信、核子科学等等领 域都充分显示出了它的重要性。采样定理是整个数字信号处理技术的基础： 正是由于可以将模拟信号采样量化，而同时又可以保证不破坏信号的频率特 性，所以才有了将信号处理数字化的可能。因此，可以说信号的采集( 数字 化) 是整个数字信号处理的基础，采集系统的性能直接关系到整个数字信号 处理的使用场合和性能。 在我们所关心的水声领域中，数字信号处理已经成为了必不可少的重要 手段，并逐渐发展成为一门专门的学科水声信号处理，对于水声领域的 各个分支而言，信号的采集和处理仍然是具有至关重要作用的。由于水声领 域的一些特殊性，水声信号处理对其信号采集与处理系统也有一些特殊的要 求。一般来说，声纳系统大都采用多元阵，基阵输出的信号路数较多，因此 要求相应的采集系统为多通道采集系统；而且一般要求各路信号为同时采样， 以免造成各路样本之间的相位差。由于该系统应用在实验装置中，要求系统 具有相当高的分辨率和采样率。 显示器是人与机器沟通的重要界面，随着科技不断进步，各种显示技术 如雨后眷笋般诞生，液晶显示屏具有体积小、外形薄、功耗低、重量轻、工 作驱动电压低、无辐射，特别是显示直观、便于操作的特点被用作各种便携 式系统的显示前端。传统的液晶显示往往采用单片机控制，但在系统有大量 高速实时数据的情况下，单片机由于受到处理速度的限制就显得力不从心， 而采用d s p 为核心的控制器件控制液晶显示有效地解决了处理速度问题。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 2 国内外高速多通道数据采集系统发展概况 目前国内外的高速多通道采集系统都是采用并行数据采集方法，这样可 以保证各路信号采集的严格同步性。性能较好的数据采集系统普遍带有外部 触发、可编程增益放大、多板同步信号、可编程采样率、可调输入信号量程 等功能，有的还配有程控低通、带通滤波器，可以方便的组成满足用户需要 的采集系统，并配有使用方便的数据采集和数据分析软件。表1 1 是国外几 种高速多通道采集系统的性能比较，从中可以看出，当前高速多通道数据采 集系统已经达到了相当高的技术水平，通用性和性价比很高。由于本论文设 计的采集系统用途比较单一，因而没有进行有关通用功能模块的设计，不过 设计时也考虑了具备一定的通用性，为将来的功能扩展提供了基础。 表1 1国外几种高速多通道采集系统的性能比较 最大分辨率 采集系统通道数 特性 采样率 ( b i t s ) a n a l o g i c 1 ms p s1 28 1 6 最多可存储8 m 样点 f a s t1 2 1 4 个差外部触发，多种量程，可多 v c3 1 1 52 ms p s1 2 分输入板同步工作 p e n t e k 外部触发，每通道4 m 样点 2 0 ms p s1 24 4 2 6 3 缓存 p e n t e k 带有d s p 接口，主要用于 6 5 ms p s 1 2 2 6 2 1 1 软件无线电 1 3 高速信号采集与显示系统 本设计把微控制器、a d 转换器和l c d 控制器等核心部件嵌入该系统。 它是利用f p g a 设计技术、l c d 图形显示技术及数字信号处理技术等综合设 计的数据采集显示系统。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 3 1 d s p + f p g a 结构 作为信号采集处理系统的应用，系统的设计要求必须具有处理大数据量 的能力；其次对系统的体积、功耗、稳定性等也有较严格的要求。实时信号 处理系统是对运算速度要求高、运算种类多的综合性信息处理系统。系统设 计在研究了常用的实时信号处理系统构成方案的特性后，选用了d s p + f p g a 处理机制，并在具体的应用中显示出了其优越性。 随着大规模可编程器件的发展，采用d s p + a s i c 结构的信号处理系统显 示出了其优越性，正逐步得到重视。与通用集成电路相比，a s i c 芯片具有体 积小、重量轻、功耗低、可靠性高等几个方面的优势，而且在大批量应用时， 可降低成本。 现场可编程门阵列f p g a 是在专用a s i c 的基础上发展出来的，它克服 了专用a s i c 不够灵活的缺点。与其他中小规模集成电路相比，其优点主要在 于它有很强的灵活性，即其内部的具体逻辑功能可以根据需要配置，对电路 的修改和维护很方便。目前f p g a 的容量已经跨过了百万门级，使得f p g a 成 为解决系统级设计的重要选择方案之一，d s p 十f p g a 结构最大的特点是结构灵 活，有较强的通用性，适于模块化设计，从而能够提高算法效率；同时其开 发周期较短，系统易于维护和扩展，适合于实时信号处理。 实时信号处理系统中，低层的信号预处理算法处理的数据量大，对处理 速度的要求高，但运算结构相对比较简单，适于用f p g a 进行硬件实现，这 样能同时兼顾速度及灵活性。高层处理算法的特点是所处理的数据量较低层 算法少，但算法的控制结构复杂，适于用运算速度高、寻址方式灵活、通信 机制强大的d s p 芯片来实现。 1 3 2 高速信号采集与显示系统结构 1 3 2 1 信号处理流程 系统的任务主要是接收通道采集的波形数据，经采集存储、数据处理后， 输出结果到l c d 显示。根据系统的功能要求，可以设计如图1 1 所示的信 哈尔滨工程大学硕士学位论文 号处理流程。 图1 1 信号处理流程 1 3 2 2 高速信号采集与显示系统结构 我们利用d s p + f p g a 结构来实现高速信号采集与显示系统，如图1 2 所示。这样大大简化了系统设计，并且充分利用d s p 与f p g a ，可使系统的 功能得到充分的体现。 图1 2 高速信号采集与显示系统结构 整个系统包括信号输八通道、数据采样、数据处理及存储、显示控制、 电源供给等各部分。其中，数据采集和存储以及l c d 显示控制等部分，由 于数据流量大、数据规则，采用f p g a 进行纯硬件实现；由于数据处理复杂， 要用到多种数据结构，其控制也较复杂，我们用d s p 编程来实现：而整个 显示控制过程则要求d s p 和f p g a 协同实现。当然，整个系统是个完整的 智能化系统，它的功能必须要求软硬件的协同工作才能得以实现。 现场可编程门阵列逻辑器件f p g a 具有现成的母片，可实现现场编程， 使用f p g a 可使设计方便，利用它灵活、校验快以及设计可随意改变的特点， 可大大缩短研制时间。 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 d s p 具有很强的微控制功能，拥有丰富的片内资源、输入输出端口，并 有很强的数字信号处理能力。利用它作为中央处理单元控制整个系统的运作， 它同时完成数据处理的功能。 本系统基于取样原理，利用d 转换技术和数字存储技术能迅速捕捉 瞬变信号并长期保存，它首先对模拟信号进行高速采样获得相应的数字数据， 数据用来在屏幕上重建信号波形，然后利用数字信号处理技术对采样得到的 数字信号进行相关处理与运算，从而获得所需的各种信号参数，根据得到的 信号参数绘制信号波形，并可对被测信号迸行实时的、瞬态的分析，以方便 用户了解信号特征，快速准确地对信号进行处理。 本系统分为采集处理模块和显示控制模块两部分。采集处理模块负责实 现模拟信号的采集时钟控制、数据采集和处理；显示控制模块负责实现信号 采集数据的显示。 1 4 本论文的研究内容 本论文的主要研究内容：系统的硬件设计，包括采集处理模块和显示控 制模块的设计；整个系统软件的编写，主要在于d s p 程序和f p g a 的v h d l 程序；数据采集处理过程和显示过程的研究。本系统研制的主要目的是将输 入的模拟信号进行采集、处理并直观地在液晶显示模块上显示信号的波形及 幅值频率参数。 第一章主要对系统进行了简要概述，概要的介绍了系统的功能及组成。 第二章主要阐述采集处理模块的设计与实现要点，分采集、处理和控制三个 模块介绍了这部分的硬件构成以及软件设计。并介绍了系统设计中应注意的 一些问题。第三章阐述显示控制模块的设计与实现过程，主要针对所采用的 液晶显示模块控制芯片s e d l 3 3 5 与f p g a 的接口电路以及键盘的软硬件设 计。第四章阐述了系统调试过程中遇到的问题以及解决方法。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 1 引言 第2 章采集处理模块设计与实现 采集处理模块主要功能是，首先对模拟信号进行高速采样获得相应的数 字数据并存储，然后利用数字信号处理技术对采样得到的数字信号进行相关 处理与运算，从而获得波形显示所需的各种数据，送到显示模块以完成对采 集信号的波形显示。主要由采集模块、控制模块和处理模块三个模块组成。 2 2 采集模块的设计与实现 在进行电路设计时，面对林林总总的a 剧d a 芯片，如何选择你所需要 的器件呢? 要综合考虑设计的诸项因素，系统技术指标、成本、功耗、安装 等，最主要的依据还是速度和精度。 2 2 1 数据采集系统的关键指标 在实际应用中，人们关心的是如何从要求的技术指标出发，设计个性 价比较高的数据采集系统。数据采集系统的主要技术指标有： 口系统的通过速率； 口系统精度； 口系统分辨率； 口系统共模抑制比； 口 系统通道串扰抑制比； 口系统的短期稳定度。 除了以上这些指标外，诸如系统功耗、可靠性、系统控制方式以及系统 总数据存储量等一些重要指标。在这些指标中，对于高速多通道数据采集系 统而言，最为重要的是系统的分辨率、精度与系统的通过速率。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 采集系统分辨率是指数据采集系统可以分辨的输入信号的最小变化量， 通常用最低有效位值( l s b ) 来表示。如果系统的量化比特数为1 2 位，那么 l l s b 占系统满度值的o 0 2 4 4 。系统分辨率与系统的动态范围是两个不同的 概念，但两者有着一定的关系。对于数据采集系统，动态范围是指系统可数 字化的最大信号与可分辨的最小信号的比值，通常以对数值表示。系统分辨 率每增加1 位，动态范围相应扩大6 d b 。 采集系统精度是指当系统工作于额定通过速率下，每个离散的采样样本 的转换精度。模数转换器的精度是一个系统精度的极限。比如对一个1 2 b i t 分辨率的采集系统，如果采用1 2 b i t 的a d c ，那么前置的信号调理、采样保 持等电路的精度必须远优于所选的a d c 器件，系统的精度才能保证。而且 应注意的是，精度是指系统的实际输出值与理论输出值之差，它与系统的分 辨率是两个不同的概念。 采集系统通过速率是指在满足系统精度指标的前提下，系统对输入模拟 信号在单位时间内可完成的采集次数，它又称为采集速率或吞吐率等。数据 采集系统的通过速率受多种因素影响，主要包括系统中各通道调理电路中滤 波器的建立与恢复时间、放大器的建立和稳定时间、采样保持器的孔径与捕 捉时间、a d c 的转换时间以及数据的传输与存储时间等。对于一个高速数据 采集系统而言，系统的通过速率可以说是最重要的一个技术指标了。 2 2 2a d 器件的综述 精度与系统中所测量控制的信号范围有关，但估算时要考虑到其他因素， 转换器位数应该比总精度要求的最低分辩率高一位。常见的a d d a 器件有8 位，1 0 位，1 2 位，1 4 位，1 6 位等。 数字接口方式接口有并行串行之分，串行又有s p i 、1 2 c 、s m 等多种不 同标准。数值编码通常是二进制，也有b c d ( 二十进制) 、双极性的补码、 偏移码等。 模拟信号类型通常a d 器件的模拟输入信号都是电压信号。同时根据信 号是否过零，还分成单极性( u n i p o l a r ) 和双极性( b i p o l a r ) 。 电源电压有单电源，双电源和不同电压范围之分，早期的a d d a 器件有 啥尔滨工程大学硕士学位论文 + 1 5 v 一1 5 v ，如果选用单+ 5 v 电源的芯片则可以使用单片机系统电源。 基准电压有内、外基准和单、双基准之分。 功耗一般c m o s 工艺的芯片功耗较低，对于电池供电的手持系统对功 耗要求比较高的场合一定要注意功耗指标。 封装常见的封装是d i p ，现在表面安装工艺的发展使得表贴型s o 封装 的应用越来越多。 跟踪保持( t r a c k m 0 1 d 缩写嗍) 原则上直流和变化非常缓慢的信号可 不用采样保持，其他情况都应加采样保持。 2 2 3a d 转换器的类型 下面简要介绍常用的几莉类型的基本原理及特点：积分型、逐次逼近型、 并行比较型串并行型、一调制型、电容阵列逐次比较型及压频交换型。 1 ) 积分型 积分型a d 工作原理是将输入电压转换成时间( 脉冲宽度信号) 或频率( 脉 冲频率) ，然后由定时器计数器获得数字值。优点是用简单电路就能获得高 分辨率，缺点是由于转换精度依赖于积分时间，因此转换速率极低。 2 ) 逐次比较型 逐次比较型a d 由一个比较器和队转换器通过逐次比较逻辑构成，电路 规模属于中等。其优点是速度较高、功耗低，在低分辩率( ( 1 2 位) 时价格 便宜，但高精度( 1 2 位) 时价格很高。 3 ) 并行比较型串并行比较型 并行比较型a d 采用多个比较器，仅作一次比较而实行转换，又称 f l a s h ( 快速) 型。转换速率极高，电路规模也极大，价格也高，只适用于视频 a d 转换器等速度要求高的领域。 串并行比较型a d 结构上介于并行型和逐次比较型之间，最典型的是由2 个n 2 位的并行型a d 转换器配合d a 转换器组成，用两次比较实行转换，所 以称为h a l ff l a s h ( 半快速) 型。还有分成三步或多步实现a d 转换的叫做分 级型a d ，而从转换时序角度又可称为流水线( p i p e l i n e d ) 型a d ，现代的分 级型a d 中还加入了对多次转换结果作数字运算而修正特性等功能。这类a d 哈尔溟工程大学硕士学位论文 速度比逐次比较型高，电路规模比并行型小。 4 ) 一调制型 一型a d 由积分器、比较器、1 位d a 转换器和数字滤波器等组成。电 路的数字部分基本上易单片化，易做到高分辨率。主要用于音频和测量。 5 ) 电容阵列逐次比较型 电容阵列逐次比较型a d 在内置d a 转换器中采用电容矩阵方式，也可称 为电荷再分配型。用电容阵列取代电阻阵列，可以用低廉成本制成高精度单 片a d 转换器。最近的逐次比较型a d 转换器大多为电容阵列式的。 6 ) 压频变换型 压频变换型( v o n a g e f r e q u e n c yc o n v e r t e r ) 是通过间接转换方式实现 模数转换的。优点是分辩率高、功耗低、价格低，但是需要外部计数电路共 同完成a d 转换。 2 2 4a d 转换器的主要技术指标 1 ) 分辩率( r e s 0 1 u t i o n ) 指数字量变化一个最小量时模拟信号的变化量， 定义为满刻度与2 n 的比值。分辫率又称精度，通常以数字信号的位数来表示。 2 转换速率( c o n v e r s i o nr a t e ) 是指完成一次从模拟转换到数字的a d 转换所需的时间的倒数。积分型a d 的转换时间是毫秒级属低速a d ，逐次比 较型是微秒级属中速a d ，全并行串并行型a d 可达到纳秒级。采样时间 则是另外一个概念，采样速率( s a m p l er a t e ) 必须小于或等于转换速率。常用 单位是k s p s 和嗵s p s ，表示每秒采样千百万次。 3 ) 量化误差( q u a n t i z i n ge r r o r ) 由于a d 的有限分辩率而引起的误差， 即有限分辩率a d 的阶梯状转移特性曲线与无限分辩率a d ( 理想a d ) 的转移 特性曲线( 直线) 之间的最大偏差。通常是1 个或半个最小数字量的模拟变 化量，表示为l l s b 、l 2 l s b 。 4 ) 偏移误差( 0 f f s e te r r o r ) 输入信号为零时输出信号不为零的值，可 外接电位器调至最小。 5 ) 满刻度误差( f u l ls c a l ee r r o r ) 满度输出时对应的输入信号与理想 输入信号值之差。指两次转换的间隔。 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 6 ) 线性度( l i n e a r i t y ) 实际转换器的转移函数与理想直线的最大偏移， 不包括以上三种误差。 其他指标还有：绝对精度( a b s o l u t ea c c u r a c y ) ，相对精度 ( r e l a t i v ea c c u r a c y ) ，微分非线性，单调性和无错码，总谐波失真 ( t o t a lh a r m o n i cd i s t o t o r t i o n 缩写t h d ) 和积分非线性。 2 2 5a d 转换器的器件选型 模数转换器的任务是将一个连续的模拟输入信号( 通常为电压) 用一个 数字化的值来表示，以进一步用于处理、显示、记录和传输。a d c 是整个数 据采集系统的关键部件，它的性能往往直接影响整个系统的技术指标。基于 不同的应用，可选用不同性能指标和价位的芯片。对于一般的a d 转换器件 的选择主要考虑以下几个方面的因素： 1 ) 转换器的精度 一般系统要求对信号作一些处理，例如f f t 变换。因为d s p 等些常用 的处理器的的数据线一般都是1 6 位的，所以最理想的精度应该是1 2 位，留 出4 位作算法的溢出保护位。 2 ) 转换时间 对于高速处理器来说，指令周期高至纳秒级，运算速度相当快，能够进 行信号的实时处理。为了体现它的优势，它的一些外围设备的处理速度就要 尽可能与它相匹配。同时转换时间也决定了它对信号的处理能力。 3 ) 转换器的价格 价格也是选择刖d 的一个重要因素。 除了上述几个因素以外，选择刖d 芯片还应考虑到芯片的功耗、封装形 式、数据总线的类型、质量标准、供货情况、生命周期等。 由于系统所要求的分辨率为1 2 b i t ，采样率为5 m s p s ，同时考虑到成本和 为系统预留一定的扩展能力，决定选择a n a l o gd e v i c ei n c 公司的a d 9 2 2 0 作 为采集系统的模数转换器。a d 9 2 2 0 是一种高性能、单电源的1 2 位模数转换 器，它采用一种带有宽带输入采样一保持放大器的四级流水结构( 见图2 1 ) ， 使其在指定数据率的情况下为1 2 位数据精确提供了数字输出错误修正，保证 哈尔滨工程大学硕士学位论文 了在整个操作温度范围内没有误码。下面简要介绍一下a d 9 2 2 0 的主要性能 指标和结构。 r e f c o m v s sd v s 3c m l 图2 1a d 9 2 2 0 内部结构框图 a d 9 2 2 0 是单片高速a d c ，分辨率为1 2 b “，采样率可达1 0 m s p s 。a d 9 2 2 0 采用c m 0 s 工艺，十5 v 供电，功耗仅2 5 0 m w ，而且片内带有高速低噪声采样 保持放大器和可编程电压参考源，可以大大地简化设计。输出为并行接口， 兼容t t l 电平。a d 9 2 2 0 的模拟输入范围具有高度的灵活性，输入信号可以 是交流或直流耦合的单端或差动输入的模拟信号，输入量程是参考电压的两 倍。a d 9 2 2 0 可以提供1v 或2 5v 的内部参考电压，为了提高精确度或改 善漂移性能，也可以采用外部参考电压。 由图2 1 可以看出，a d 9 2 2 0 属于子区式模数转换器结构，并且采用了 数字校正技术，a d 公司称之为多级差分管线结构( m u l t i s t a g ed i 虢r e n t i a l p i p e l i n ea r c h i t e c t l l r e ) 。由于采用了这样的结构，a d 9 2 2 0 可以在1 0 m s p s 时提 供1 1 3 为有效位数( e n o b s ) ，信号( 噪声+ 失真) 比为7 0 d b ，总谐波失真 为一8 3 7 d b 。另外，其孔径延迟( 印e r t 【l r ed e l a y ) 仅1 p s ，孔径抖动( 印e n l 】r ej i t t e r ) 仅4 p s ，这样可以达到很高的相位精度，完全满足系统对相位的要求。 流水线结构中，除最后一级以外的每一级都由一个低分辨率的快闪a d c 和级间剩余放大器组成，级间剩余放大器将放大本级转换的剩余量送到下一 级快闪a d c 中，最后一级仅由快闪a d c 组成。四级快闪a d c 转换结果被修 正组合后送到输出端，流水线结构在流水延迟扩大的基础上允许更大的通过 速率，这意味着在每个时钟周期都允许捕捉到新的输入采样，实际上转换器 哈尔滨工程大学硕士学位论文 要利用3 个转换时钟周期才能完成整个采样、转换的过程。因此，流水线结 构的a d c 特别适用于对波列信号的连续采集，但是它不宜作单次的随机的信 号的模数转换。 2 2 6a d 转换器的接口设计 由于a d 9 2 2 0 的参考电压是可以编程的，可以在不同的内部或外部参考方 式下采用不同的电路设计来获得灵活的模拟输入范围。在采用内部基准电压 时，共模电压和输入范围两者都取决于v r e f 值，更为特殊的是当输入摆幅为 2 v r e f 时，共模电压等于v r e f ，这是有效输入范围非常接近o v “2 v r e f 。如果 将器件的v r e f 引脚与s e n s e 引脚连接，这时就将内部基准放大器设置为单端 增益模式，v r e f 的输出为l v ，这样，有效输出电压范围为o v l 2 v 。如果将s e n s e 引脚与r e f c o m 引脚连接，这时内部基准放大器设置为2 5 倍的增益，其结果 输出为2 。5 v ，有效输入变化范围为0 v 5 v 。如果采用外部基准电源时，一定 要关闭内部基准放大器，而赢接驱动v r e f 引脚。将s e n s e 引脚连接到a v 叻 可以关闭内部基准放大器。 由于本系统选择了a d 9 2 2 0 的输入范围是o v 。5 v ，采用了单端输入和内部 基准电压的连接方法，如图2 2 所示。由于考虑到采样之前，将在输入端出 现动态的输入阻抗，所以a d 9 2 2 0 必须有一个前端电压跟随器。它可以起到 一个阻抗源的作用，它可以阻止阻抗的上升，使输入的模拟信号稳定。 因为a d 9 2 2 0 的在本系统中的模数转换频率范围是1 0 k h z 2 m h z ，所以选 择了带宽为3 1 i f h z 的运放o p a 2 3 4 5 作为跟随器。0 p a 2 3 4 5 的典型应用就是作为 电压跟随器，而且它具有优良的温漂参数，完全满足a d 9 2 2 0 前端电路的要 求。对于电阻r s ，一般选择3 0 q 到5 0 q 的电阻，但在一些特殊情况下，也可 以选择些比较大的电阻，它可以减少宽带噪声，也可以在电压超过一定值 时，起到限流的作用。 当使用内部或外部参考方式时，还应当在c a p t 与c a p b 之间加一个电 容网，如图2 2 所示。该电容网的作用有三个，其一是与内部参考放大器一起 在大频率范围下提供一个低阻抗源以驱动a d c 内部电路：其二是提供内部放 大器需要的补偿；其三是限制由参考电源产生的噪声干扰。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 2a d 9 2 2 0 原理图 a d 9 2 2 0 芯片的时序特点如图2 3 所示，当模拟信号输入a d 9 2 2 0 芯片 时，它在时钟的每个上升沿对模拟信号采样、数模转换，因为a d 9 2 2 0 是流 水线结构，进行每一次数模转换，事实上都要经过三个时钟周期才能充分的 采样、转换结束，而且由于内部结构的原因，还要经过一小段的时间延迟后， 1 2 位数据才能送到输出端的数据线上，这时它的后续装置才能接收到数据。 输入 模拟信号 采样时钟 输出数据 时钟 高电平低电平输出 管线 周期 脉宽脉宽 延迟延迟 “ 周期 图2 - 3 a d 9 2 2 0 的输出时序 从图2 3 可以看出，在s 1 时刻采样的模拟信号，在s 4 时刻过后，也 就是三个转换时钟过后，还要经过t 0 d 宽度的延迟，十二位数据才能输出， 这时数据才能被后续的装置读取到。a d 9 2 2 0 进行a d 转换时的具体时序中 的时间宽度要求如图2 2 所示。如果过强的时钟抖动或系统干扰恰巧发生在 时钟的上升沿之前，那么输入送入采样保持放大器后，有可能得到的是错误 的数值，在采样系统设计和采集系统工作时，应当尽量避免这种隋况的发生。 无论a d 9 2 2 0 的输入选择在什么范围之内，输出的数值都是正的二进制 的真实值。它的输出范围是0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 2 70 p a 2 3 4 5 运放简介及设计 o p a 2 3 4 5 是b b ( b u r r b r 0 w n ) 公司生产的低功耗双运放，单电源2 5 v 5 5 v 供电，增益带宽积3 m h z ，增益大于等于1 。o p a 2 3 4 5 结构如图2 4 所示。 o u t a l n a 十l n a 、，_ v + o u l b mb + l nb 图2 4o p a 2 3 4 5 结构图 为了加强输出信号的带载能力，把运放接成射随，电路如图2 5 所示。 图2 5o p a 2 3 4 5 原理图 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 。2 8 数据采集的工作原理 4 0 m 的晶振经过f p g a 分频后得到a d 9 2 2 0 所需要的采样时钟。d s p 收到键 盘命令后，向f p g a 发出启动a d 转换命令。a d 9 2 2 0 在采样时钟的控制下， 将输入的模拟信号离散为1 2 b i t 数字信号。转换完成后，由f p g a 将数据读到 内部缓存，并向d s p 发出读数据中断，d s p 进入中断服务程序，将数据读到 d s p 的内存单元中，并对数据进行处理；当d s p 判断采集数据达到4 k 字时， 向f p g a 发出命令，停止a d 转换。 实时工作时，采集数据达到4 k 字时，计数器清零，继续采集数据。但是 实时工作时受d s p 运算速度和液晶屏的刷新时间限制，采样频率不能太高。 2 3 控制模块的设计与实现 在本系统设计中，几乎全部的逻辑控制功能都是用现场可编程门阵列器 件( f p g a ) 实现的，它不仅可以极大地提高设计的效率，减小设计风险，更 是今后高速数字信号处理算法实现的一种方向。控制模块主要完成对采样速 率、液晶显示模块的控制。 2 3 1 可编程专用集成电路( a s i c ) 器件概述 电子系统设计的变革是从八十年代中期开始的，1 9 8 4 年x i l i n x 发明了 现场可编程门阵列( f p g a ) ，随后出现了复杂可编程逻辑器件( c p l d ) 。这些 器件由于具有用户可编程的特性，使得电子系统的设计工程师利用与器件相 应的e d a 软件，在办公室或实验室就可以设计出自己的a s i c 器件，实现用户 规定的各种专门用途。 可编程器件不仅使设计的电子产品达到小型化、集成化和高可靠性，而 且器件具有用户可编程特性，大大缩短了设计周期，减少了设计费用，降低 了设计风险。不仅如此，很多可编程a s i c 具有为设计者提供系统内可再编程 ( 或可再配置) 的能力，即可编程a s i c 器件除了具有用户可编程的能力，还 具有将器件插在系统内或电路板上就能对其进行绽程或再编程的能力( 比如 哈尔滨工程大学硕士学位论文 f p g a ) ，这就为设计者进行电子系统设计和开发提供了可实现的最新手段，而 在以前这是不可能做到的。 采用系统内可再编程的技术，使得系统内硬件的功能可以像软件一样的 被编程来配置，从而可以进行实时地、灵活方便地更改和开发。这种被称为 “软”硬件的全新的系统设计概念，使新一代的电子系统具有极强的灵活性 和适应性，它不仅使电子系统的设计和开发以及产品性能改进和扩充变得十 分简易和方便，而且使电子系统具有多功能性的适应能力，为实现很多复杂 的信号处理提供了新的思路和方法。 可编程a s i c 主要包括c p l d 和f p g a 等几种器件。可以认为c p l d 是将多 个可编程阵列逻辑( p a l ) 器件集成到一个芯片，具有类似p a l 的结构；而f p g a 具有类似门阵列的结构。另外，在门级按可编程结构实现算法的细粒度f p g a 还构成了一类新器件，即可编程计算逻辑阵列。下面对这几类器件分别作简 单的介绍。 具有固定数目输入和输出的任何组合逻辑函数可以在p r o m 中以输入输 出查找表的方式来实现，p a l 就是基于这一概念以p r o m 结构构成的。而c p l d 作为p a l 在芯片规模上的扩展，也具有类似的一些特点。首先，给定输入输 出的数目，那么在确定要实现的具体逻辑函数之前，我们就可以确定所要使 用的c p l d 的规模。其次，这类器件的延时是固定的，与实现的具体函数无关。 但是，同时我们也注意到采用这种结构所带来的不可避免的缺陷：第一，其 延时受与阵列的影响；当要使用的输入输出数目较多时，乘积项的数目急剧 增大，这使得线与的面积增大，从而造成延时的增加。第二，由于c p l d 片内 的互连矩阵中的布线资源有限，对于大的逻辑函数难以实现；如果采用附加 布线池来增加布线资源又会引起附加延时。另外，c p l d 一般功耗都比高于 f p g a 。不过对于比较简单的设计，c p l d 由于具有速度较快、延时可预测等优 点仍是首选器件。 f p g a 是最近十几年来发展起来的，它在器件的选择和内部的互连上提供 了更大的自由度。f p g a 的结构类似于掩膜可编程门阵列( m p g a ) 。都是由逻 辑功能块排列成阵列组成，并由可编程内部连线连接这些逻辑功能块来实现 不同的设计。二者的区别是f p g a 采用可编程电子开关来实现逻辑功能和互 连，而m p g a 是在芯片制作过程中形成金属互连的。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 f p g a 可以达到比p l d 更高的集成度，具有更复杂的布线结构，可实现更 复杂的逻辑函数。它与p l d 的根本区别在于p l d 是通过修改具有固定内连电 路的逻辑功能来实现编程，而f p g a 是通过修改宏单元的基本功能块的内连线 的布线来进行编程的。这种结构使得f p g a 比p l d 更适合实现复杂的逻辑功能。 通常的f p g a 结构如图2 6 所示。由布线资源分隔的可编程逻辑单元( 或 宏单元) 构成阵列，与阵列外围的可编程1 0 单元一起构成整个芯片。逻辑单 元由布线通道内的可编程内连线( 分段的金属互连线可以由可编程开关以任 意方式连接) 连接起来实现一定的逻辑功能。 图2 6f p g a 的一般内部结构 常用的通道型f p g a 具有以下结构特性： 口类似门阵列的连线通道和逻辑功能块结构；逻辑资源和通信资源明显 是分开的和性质不同的，反映在e d a 系统中，逻辑阵列上逻辑功能块的布局 和功能块之间的布线是作为设计的不同阶段来处理的。 口支持双向和多资源的连线；由于在系统设计中，双向连线是很常用的， 因而f p g a 对双向连线的支持可以维持与传统技术的连续性。 口具有多输入的功能单元；提供具有许多输入的大的功能单元可以实现 完整的逻辑功能，使得逻辑功能块比普通门阵列的功能块更复杂，可以减少 要求的功能块数目，更重要的是也减少了设计布线要求的功能块间的连线。 对于基于s r a m 的f p g a 这一点特别重要，因为连线通道会扩充连线面积和增 加延时。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 通道型f p g a 主要有两种逻辑功能块的构造： 口s r a m _ 查找表类型。查找表型f p g a 的可编程逻辑单元是由静态存储 器查找表构成函数发生器，由s r a m 控制执行f p g a 应用函数的逻辑。m 个输 入的逻辑函数真值表存储在一个2 ”1 的s r a m 中，s r a m 的地址线起输入功 能，s r a m 的输出为逻辑函数的值，由输出状态控制传输门或多路开关的通 断，实现与其他功能块的可编程连接。在s r a m 查找表类型的f p g a 中，逻辑 功能和内连关系是由一个“配置程序”来决定的，此程序存储在内部的s r a m 中，由于s r a m 中的配置程序在掉电时将丢失，因此每次上电时芯片要进行一 次配置程序的加载。s r a m 查找表型f p g a 的典型代表有x i l i n x 公司的 x c 3 0 0 0 4 0 0 0 系列f p g a 等。 口 反熔丝多路开关类型。多路开关型结构中，基本的单元是一个多路 开关，利用多路开关的特性，将多路开关的输入接到固定电平或输入信号， 可以实现不同的逻辑功能。例如图2 7 中的二选一多路开关中，输出 厂= 期+ 动，当置b 为0 时，多路开关实现与的功能：厂= j 口，当置a 为1 时， 多路开关实现或的功能：厂= s + 6 。大量多路开关和逻辑门连接起来，可以 实现复杂的逻辑功能。多路开关型f p g a 的典型代表有a c t e l 的a c t 一1 型等。 图2 7多路开关示意图 在门级按可编程结构实现算法的f p g a 器件称为计算逻辑阵列。计算逻 辑阵列由功能单元的阵列组成，在它们的基本结构中，仅有到其邻近单元的 连接。计算逻辑阵列的结构具有规则性和对称性，可以允许子电路独立的布 局和布线。另外，其阵列可以按照允许随机存取到控制存储器的方式嵌入 s r a m 中；这样就允许对器件各部分快速再编程、部分再编程。典型的产品如 x i l i n x 的x c 6 2 0 0 系列细粒度门海f p g a ，其采用分层结构，可以实现部分再 配置，而不影响其他部分中电路的运行。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 当前随着集成电路技术的发展，半导体工艺已经达到0 1 8 微米的深亚 微米级，a s i c 技术也得到了飞速发展。x i l i n x 和a l t e r a 公司都已推出了百 万门级的超大规模f p g a ，x i l i n x 最近又推出了采用0 1 8 微米、六层铜互连 技术的v i r t e x e m 系列千万门级f p g a 。这些技术将使电子产品设计发生影响 深远的变革