（信号与信息处理专业论文）高速数据采集技术的研究与实现.pdf

r es e a r c ha n d i m p l e m e n t a t i o no f h i g h - s p e e dd a t a a c q u i s i t i o n t e c h n o l o g y ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o s o u t h e a s t u n i v e r s i t y f o rt h ea c a d e m i c d e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g b y y a n g m i n g s u p e r v i s e db y p r o f g a ol i z h o n g s c h o o lo fi n f o r m a t i o ns c i e n c ea n d e n g i n e e r i n g s o u t h e a s tu n i v e r s i t y j a n u a r y , 2 0 1 0 l-_-。一 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 毖：! e 1 日期： 圣剑壁：圣：星 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布( 包括以电 子信息形式刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：毖扯聊签名惠丛妻蹶! 竺蛆客? 摘要 摘要 高速数据采集技术的研究与实现 硕士研究生杨明导师高礼忠副教授 东南大学信息科学与工程学院 随着科学技术的发展，数据采集系统已成为信号与信息处理系统中不可缺少的重要 组成部分，而高速数据采集技术也应用到越来越多的领域。本文选取现代电子测量仪器 中的数字示波器作为研究对象，研究分析了数字示波器中常用的数据采集技术，并将这 些技术成功应用于数字荧光示波器的开发中。 数字示波器经历了由数字存储示波器( d s o ，d i g i t a ls t o r a g eo s c i l l o s e o p e ) 至l j 数字荧光 示波器( d p o ，d i g i t a lp h o s p h o ro s c i l l o s c o p e ) 的发展过程。论文研究分析了数字示波器中 实时采样与等效采样两种不同的数据采集技术的原理与实现方法，重点讨论了随机采样 技术在数字荧光示波器中的实现方法。并对高速串行信号的采集技术进行了研究，为高 速串行信号的眼图与抖动分析奠定基础。 本文的组织结构如下： 首先讨论了数据采集的量化理论及a d 转换噪声分析，并分析了采样时钟的抖动对 数据采集系统的影响。 随后讨论了实时采样技术与等效采样技术的原理与实现方法，重点分析了利用随机 采样技术进行数据采集的原理，并利用f p g a 做控制与处理，实现了数字荧光示波器中 的随机采样技术。 针对日益广泛应用的高速串行信号，本文基于全数字锁相环技术实现了一种实时时 钟恢复电路，为高速串行信号的采集眼图及抖动分析奠定基础。 最后，在以上理论分析的基础之上，详细介绍了数据采集系统的硬件设计，并根据 d p o 系统的要求，设计并实现了一套最高实时采样速率可达2 g s p s 、等效采样速率达 5 0 g s p s 的高速数据采集系统。该数据采集系统已成功应用于开发的数字荧光示波器样 机中，其功能与指标达到了数字荧光示波器系统的要求。 关键词数据采集，数字荧光示波器，随机采样，全数字锁相环 a b s t r a c t a b s t r a c t r e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o no fh i g h s p e e d d a t aa c q u i s i t i o nt e c h n o l o g y c a n d i d a t e ：m i n gy a n g ，s u p e r v i s o r ：p r o f l i z h o n gg a o w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n t i f i ct e c h n o l o g y , d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mh a sb e c o m e i n d i s p e n s a b l ea n di m p o r t a n tp a r ti ns i n g a la n di n f o r m a t i o np r o c e s s i n gs y s t e m s m e a n w h i l e d a t aa c q u i s i t i o nt e c h n o l o g yh a sa l s ob e e nu s e di nw i d e s p r e a da r e a s i nt h i st h e s i s ，t h ed i g i t a l o s c i l l o s c o p ea m o n gt h em o d e me l e c t r o n i cm e a s u r i n gi n s t r u m e n ti s s e l e c t e dt od i s c u s st h e n o r m a l yu s e dh i g h s p e e d d a t aa c q u i s i t i o nt e c h n i q u e s a n dt h e s et e c h n i q u e sh a v e b e e n s u c c e s s f u l l yi m p l e m e n t e d i nd e v e l o p i n go fd i g i t a lp h o s p h o ro s c i l l o s c o p e d i g i t a lo s c i l l o s c o p ed e v e l o p e df r o md i g i t a ls t o r a g eo s c i l l o s c o p e t o d i g i t a lp h o s p h o r 目录 目录 摘要i 目勇宅i i i 缩略语表v 第一章绪论l 1 1 数字示波器的特点与发展趋势l 1 1 1 数字示波器的特点与技术发展l 1 1 2 数字示波器产品的发展现状与趋势3 1 2 数字示波器中高速数据采集的关键点与难点4 1 3 论文研究的主要内容及主要工作5 1 4 论文的结构及内容安排。5 第二章典型的数据采集技术7 2 1 实时采样技术7 “ 2 1 1 数据采集中的模数转换过程7 ： 2 1 2 低通信号采样定理。8 2 1 3 带通信号采样定理9 2 1 4 交织采样及解复用技术l o 一2 2a d c 性能指标与转换噪声分析1 1 _ 2 2 1a d 转换过程及量化噪声模型1 l 2 2 2 量化中的信噪比j s ? 妇乙，d 1 3 2 2 3 输入信号缩放对s n r 的影响1 3 2 2 4 采样时钟抖动的分类。1 4 2 2 5 采样时钟抖动对a d c 性能的影响1 5 2 3 等效采样技术1 6 2 4 本章小结1 8 第三章随机采样技术与其实现1 9 3 1 随机采样技术原理1 9 3 2 数字荧光示波器中随机采样电路的结构2 0 3 3 随机采样波形重组电路设计与分析2 0 3 3 1 数据缓冲模块2 1 3 3 2 预触发控制模块2 l 3 3 3 波形重组主控模块2 3 3 3 4 时间测量电路控制模块2 4 3 3 5 排序及波形重组模块2 5 3 4 随机采样时间测量电路设计与分析。2 6 3 5 本章小结2 8 i i i 第六章总结及展望5 3 6 1 完成工作及功能效果图5 3 6 2 展望。5 6 致谢5 7 参考文献5 9 作者简介6 3 i v 缩略语表 缩略语表 a d c ：a n a l o g - t o d i g i t a lc o n v e r t e r 模数转换器 a d p l l ：a l l - d i g i t a lp h a s el o c k e dl o o p 全数字锁相环 a r t o ：a n a l o gr e a l - t i m eo s c i l l o s c o p e 模拟实时示波器 a s i c ：a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e r g r a t e dc i r c u i t s 专用集成电路 c d r ：c l o c kd a t ar e c o v e r y 时钟数据恢复 d d r 2s d r a m ：d o u b l ed a t ar a t e2s y n c h r o n o u sd y n a m i cr a n d o ma c c e s sm e m o r y 第二代双数据速率 同步动态随机存取内存 d m a ：d i r e c tm e m o r ya c c e s s 直接内存存取 d a q ：d a t aa c q u i s i t i o n 数据采集 d a s ：d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m 数据采集系统 d p o ：d i g i t a lp h o s p h o ro s c i l l o s c o p e s 数字荧光示波器 d s o ：d i g i t a ls t o r a g eo s c i l l o s c o p e 数字存储示波器 f p g a ：f i e l dp r o g r a m a b l eg a t ea r r a y 现场可编程门阵列 h d l ：h a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e 硬件描述语言 h s t l ：h i g h - s p e e dt r a n s c e i v e rl o g i c 高速收发器逻辑 j t a g ：j o i n tt e s ta c t i o ng r o u p 联合测试行动小组 一l d o ：l o wd r o po u t ( v o l t a g er e g u l a t o r s ) 低压羞电压调节器 l v c m o s ：l o w v o l t a g ec o m p l e m e n t a r ym e t a lo x i d es e m i c o n d u 曲州氐压互补金属氧化半导体 l v d s ：l o w v o l t a g ed i f f e r e n t i a ls i g n a l i n g 低电压差分信号 l v p e c l ：l o w - v o l t a g ep o s i t i v ee m i t t e r - c o u p l e dl o g i c 低电压正射极耦合逻辑 l v t t l ：l o wv o l t a g et r a n s i s t o r - t r a n s i s t o rl o g i c 低电压晶体管晶体管逻辑 p a l ：p r o g r a m m a b l ea r r a yl o g i c 可编程阵列逻辑 p hp o w e ri n t e g r i t y 电源完整性 s hs i g n a li n t e g r i t y 信号完整性 s s t l ：s t u bs e r i e st e r m i n a t e dl o g i c 残余连续终结逻辑电路 u s b ：u n i v e r s a ls e r i a lb u s 通用串行总线 u a r t ：u n i v e r s a la s y n c h r o n o u sr e c e i v e r t r a n s m i t t e r 通用非同步收发传输器 v 东南大学硕士学位论文 v i 绪论 第一章绪论 随着科学技术的发展，数据采集技术已进入到越来越多的领域。而各种电子设备的 广泛应用，及其越来越复杂的结构与特性，对电子测试设备提出了更高的要求。作为电 子测试设备代表的示波器也发展迅速。当前，数字示波器正经历由数字存储示波器 ( d i g i t a ls t o r a g eo s c i l l o s e o p e ) 至l j 数字荧光示波器( d i g i t a lp h o s p h o ro s c i l l o s c o p e ) 的发展过 程。本章针对数字示波器这一技术领域，对目前市场主流产品的技术特点与发展趋势进 行了讨论，并对数据采集技术的难点与关键点进行了分析，最后提出了本文的总体组织 架构。 1 1 数字示波器的特点与发展趋势 1 1 1 数字示波器的特点与技术发展 高速数据采集技术目前已经广泛应用于电子测量仪器设备中，因此本文将选取电子 测量仪器中的示波器为代表，讨论几种典型的高速数据采集技术。 传统的模拟示波器( a r t o ) 利用电子示波管的特性，将人眼无法直接观测的交变 电信号转换成图像，显示在荧光屏上以便测量。a r t o 除了显示信号幅度与时间的关系 外，还通过显示点的亮度反映信号在该点的能量，即信号能量较大的点显示亮度较高， 信号能量较小的点显示亮度较低，从而很明显地观测出波形的包络及细节。 与模拟示波器不同，数字示波器通过模数转换器( a d c ) 把被测电压转换为数字信 息，并对采样值进行存储，处理，最终进行重构波形并显示。数字示波器的优势是可以 提供波形存储、波形分析、自动测量以及复杂触发的功能。但是在某些关键性能指标上， 数字示波器一直无法与模拟示波器相比拟，例如：模拟示波器具有连续的垂直分辨率， 而数字示波器分辨率一般只有8 位至1 0 位；模拟示波器的波形更新率较快，每秒可以捕 捉几十万帧波形，而数字存储示波器的波形捕获率较低；模拟示波器具有实时带宽和实 时显示，连续波形与单次波形的带宽相同，而数字示波器的带宽与取样率密切相关，取 样率不高时容易出现混淆波形。 而数字荧光示波器( d p o ) 的架构【l 】，在高速数据采集、存储与处理上与数字存储 示波器有了实质性的不同，有效弥补了d s o 相对于a r t o 的不足，同时还继承了d s o 的 优点，并在总体性能上更优于这两种示波器。其特点可以概括为以下两个方面： ( 1 ) 不同的采集方法 波形捕获速率是指示波器每秒采集、处理并显示的波形帧数。d p o 的波形捕获速率 使其与其它采集结构( 如d s o 和取样示波器) 有所区别。 数字存储示波器的数据采集处理架构基于串行处理的架构，注定了其无法突破波形 捕获率低下的瓶颈。如图1 1 所示，d s o 的数据采集处理流程可总结为：采集，存储， 再由微处理器处理波形数据并进行显示。整个处理过程采用串行体制依次进行，数据处 东南大学硕士学位论文 理和显示期间不进何数据采集与存储，必须等待波形数据被处理和显示完成之后才能开 始新一轮的采集。d s o 在每两次采集( 如图1 2 阴影部分所示) 之间存在着因处理数据 而无法采集的时间，称为信号采集的死区时间( d e a dt i m e ) ，这段时间内待采集信号中 的异常成分( 如毛刺、噪声等) ，将无法被示波器捕获。示波器的死区时间越长，波形 捕获率就越低。 图1 - 1 传统d s o 中数据采集处理流程 d p o 在数据的采集处理架构上进行了重大的改进，从根本上提升了波形捕获速率： 采用了一种并行的处理架构，加入专用的波形成像处理器( 用a s i c 或f p g a 实现) 进行 数据的处理和显示。d p o 数据采集处理流程如图1 3 所示，可分为信号调理、采集，存 储，及同步进行的波形显示与后续分析。在数据采集的同时，波形成像处理器将采集数 据快速地转换为具有荧光效果的波形图像：而微处理器仅需完成显示控制、后续波形分 析处理等操作，二者并行同步运行，大大降低了采集死区时间( 如图1 4 所示) ，提高了 波形捕获率，并显著提高t d p o 对波形数据的分析处理能力。 图1 3d p o 中数据采集处理流程 图1 4d p o 中死区时间较短 ( 2 ) 数字荧光显示技术 d p o 在技术上另一个重大突破体现在波形显示技术上。传统的示波器包括余辉模式 的显示功能，波形轨迹通过后，显示屏的荧光会保留波形图像一段时间，可以更好的观 2 绪论 察信号细节。 与a r t o 不同，d s o 显示的是由采集的波形数据重建的波形，没有明暗的显示效果， 波形每次更新都会冲掉前一帧，无法形成叠加显示的效果。d s o 也可以通过对捕获的波 形进行后期处理来仿真余辉及其等级显示。但是由于d s o 余辉显示的波形是以较慢的波 形捕获率采集到的，所以显示画面并不能揭示波形的实时细节，并可能漏掉在处理和显 示期间发生的间歇性事件。 d p o 显示的效果类似于a r t o 。对输入信号以三维信息( 信号的幅度、时间、以及 幅度相对于时间的分布) 的方式显示，这样模拟出荧光显示的视觉效果。d p o 这种高超 的显示能力加上快速的波形捕获速率，使得d p o 具有较强的分析信号细节的性能，给观 测者带来了极大的方便。下图为实验室开发的d p o 捕获的调频波信号。 图l - 5 数字荧光显示方法显示调频波 1 1 2 数字示波器产品的发展现状与趋势 作为应用范围最广泛的电子测试仪器，示波器几乎占据了每一位电子工程师的工作 台，这注定了示波器拥有电子测试仪器最大的市场空间。据f r o s t & s u l l i v a n 统计【2 1 ，截 止2 0 0 7 年，示波器整体市场规模达到1 2 亿美元，并且以每年5 0 0 0 万1 亿美元的速度平稳 增长中。世界主要示波器厂商都集中在美国，因此美国以超过7 0 的市场份额占有绝对 的优势，其中在高端示波器市场，力科( l e c r o y ) ，泰克( t e k t r o n i x ) ，安捷伦( a g i l e n t ) 形成三足鼎立之势，并且依靠在a d 转换器、d s p 数字滤波器等硬件和信号处理软件等 方面的优势，已经拉开了与其他厂商之间的差距。目前数字示波器依靠高采样率、高速 信号处理能力和显示出色的特点，市场比例进一步扩大，模拟示波器已经开始退出主流 示波器舞台。下面选取几款国外大公司的特色产品进行简要介绍。 泰克p j 的高档数字示波器t d s 8 0 0 0 b 系列是顺序取样的数字示波器，具有7 0 g h z 以上 的等效带宽，具体带宽由选用的取样门插件而定。它的取样率很低，只有2 0 0 k s s ，但 取样脉宽很窄，频谱很宽，达至m j 7 0 0 h z 以上，输入信号经桥式线性取样门由取样脉冲选通 后，再作数字处理。因此t d s 8 0 0 0 b 具有很高垂直灵敏度和极低的时间抖动，特别在测量 东南大学硕士学位论文 串行数据时能够复原单端和差分输入信号的时钟脉冲，它是覆盖5 0 m b s 至1 2 6 g b s 串行 数据的传输性能的精确分析工具。 安捷伦【4 】公司的高性能9 0 0 0 0 系歹l j l n f i n i i u m 示波器在4 个通道上均达至t 4 0 g s a s 采样 率，并同时提供超低噪声的1 3g h z 全实时示波器带宽，存储深度也达到了1 g p t s 。其利用 “法拉第箱”的多芯片模块来隔离e m i ，具有业界最低的本底噪声、最低的抖动测量 本底、最低的触发抖动、最平坦的示波器和探头组合频率响应曲线等特性。 力科【5 】公司最新推出的w a v e m a s t e r8 z i 系列示波器最高达3 0 g h z 采集带宽，8 0 g s s 实时采样率和5 1 2 m p t s 可分析波形内存的领先性能，并配置专门的高精度e y e d o c t o r t m 信号完整性工具和串行数据分析软件，为分析新一代高速串行数据提供全新应用体验。 国内方面，目前市场上同类数字示波器产品的模拟带宽，最高实时采样率及存储深 度等关键指标均与国外产品具有较大水平差距。 1 2 数字示波器中高速数据采集的关键点与难点 数据采集( d a t a a c q u i s i t i o n ，d a q ) ，又称数据获取，是利用数据采集装置，从系统 外部采集数据并输入到系统内部：数据采集系统( d a t a a c q u i s i t i o ns y s t e m ，d a s ) 是结合基 于计算机或者其他专用测试平台的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的测量系 鲥6 】【7 】。 数字示波器对数据采集技术的实时性要求较高，需要应用高速数据采集、高速数据 存储、高速数据信号处理技术，以在极短时间内获取、存储和处理大量的数据。而高速 串行总线协议的不断应用，数据的工作时钟频率越来越高，对数字示波器的前端数据采 集电路的带宽、动态范围提出了更高要求。 目前，低速数据采集技术已相当成熟，而高速、高分辨率的数据采集系统仍然存在 很多实际技术问题，主要可以分为两个方面： ( 1 ) 系统的功能； ( 2 ) 系统的性能。 对于第一个方面，问题主要存在于高速a d c 技术，高速数据的存储和传输技术； 而对于后者，问题则存在于抗时钟抖动技术、信号完整性及电磁兼容技术等方面。 就系统采样速度而言，目前市场上已经可以购买到单通道采样速率在1 g s p s ，并可 利用交织采集技术从而达到更高采样速率的多通j , g _ a d c 。而对于更高频率的周期性信 号，可以采用等效采样技术对其采集，从而达到以较低的采样率实现较高等效采样速率 的要求。以上各类技术的具体实现，将在本文后续部分详细展开。而针对日益普及应用 的高速串行信号的采集，本文也进行了探索。 就采样深度、存储容量而言，海量存储技术的应用也逐渐普及。可以说，实际设计 中，电路功能的实现己不再是难点，设计者考虑更多的往往是性价比问题，并且应当把 电路性能的提升作为不断追求的目标。为此本文在分析各类采样技术及其实现时，始终 围绕着影响采样系统性能的各类因素进行分析与设计。 4 绪论 1 3 论文研究的主要内容及主要工作 目前数字示波器的高端产品均被国外厂商所垄断，国内只有少数厂家推出了低端的 数字存储示波器产品，而高端的数字荧光示波器产品目前在国内仍为空白。市场迫切需 要拥有自主知识产权的国产数字荧光示波器，打破国外同类产品的垄断。本论文的研究 内容为江苏省科技成果转化专项资金项目“高速实时数字荧光示波器关键技术的研究与 开发”项目的一部分，该项目要求研制模拟带宽2 0 0 m h z ，最高实时采样率为2 g s p s ， 等效采样率5 0 g s p s 、存储深度为l g b 的四通道数字荧光示波器。论文主要完成d p o 数据 采集系统的构建及随机采样技术的研究与开发，并对高速串行信号的采集做部分探索。 目前，样机已研制成功，各项功能指标均达到要求。 本文的研究的重点有以下几个方面： ( 1 ) 基于f p g a 与a r m 架构的d p o 高速数据采集开发平台的设计和实现，包括了 高速a d 转换电路的设计，高精度时钟管理电路设计，稳定的f p g a 供电电路设计及大容 量高速存储系统的设计。同时作为一款商用产品，必须严格控制成本，为此在设计时考 虑了性能与成本的均衡。 ( 2 ) 基于f p g a 实现了随机采样技术，有效拓展- j d p o 的等效采样率，超高速a d c 的应用不仅意味着更高的功耗及成本，也对后续数据缓冲存储电路性能提出较大压力。 利用随机采样技术可以以较低的采样率实现较高的等效采样率，对于观察周期性的信号 实现与超高速a d c 同样的采集效果。 ( 3 ) 针对目前高速串行信号的广泛应用，分析并实现了一种基于全数字锁相环技 术( a d p l l ) 的时钟数据恢复电路( c d r ) 。眼图是分析系统码间串扰大小与噪声大小 的有效分析工具，而眼图分析的前提就是对串行数据的有效采集，本文中实现的c d r 电 路可以有效实现高速串行数据的采集。 ( 4 ) 整个数据采集处理系统的工作频率较高，属于高速电路的设计范畴，在电路 设计和p c b 布局、走线时必须考虑信号完整性、电源完整性等问题。而a d c 与d d r 2 s d r a m 的数据总线都属于高速的并行走线，这对系统设计提出更高的要求。在系统设 计和调试的过程中，高速信号走线、缓冲接口电路以及f p g a 内部的时序问题都必须认 真考虑。 数据采集系统的设计直接影响到示波器的波形捕获能力和硬件性能指标。本课题紧 扣电子测量行业热点，市场需要和本教研室实际运用，以研究基于f p g a 架构的高速数 据采集系统为研究目标，利用f p g a 控制时序电路，在满足系统性能要求的基础上，大 大降低了开发成本。因此，本课题的研究在数字荧光示波器的研发中占有很重要的地位。 1 4 论文的结构及内容安排 论文的工作围绕着高速数据采集技术而展开，而在数据采集系统实现过程中整个系 统的硬件电路设计和f p g a 程序设计是作者工作的重点。论文将围绕上述几个方面进行 东南大学硕士学位论文 详细的讨论和研究。论文具体内容与结构安排如下： 第一章绪论该章主要论述了数据采集技术的工作原理及典型数据采集系统的特 点与发展趋势，并给出了课题研究的背景和主要内容。 第二章典型的数据采集技术本章介绍了常用的数据采集技术：实时采样技术与等 效采样技术。其中重点讨论了实时采样技术中的模数转换过程及常用的低通与带通采样 定理，并以此为基础引入并分析了d 转换过程中影响转换精度的各类因素，最后介绍 了可以提高系统实时采样率的交织采样技术。 第三章随机采样技术与其实现内容涉及随机采样技术的原理，应用场合，并利用 f p g a 进行控制与处理，实现了数字荧光示波器中的随机采样技术。 第四章高速串行信号的采集主要讨论了高速串行信号的传输方式，基于c d r 的 采集方法；并利用f p g a 实现了基于a d p l l 的c d r 电路，实现了高速串行数据的实时时 钟恢复，为眼图与抖动分析提供数据支持。最后介绍了用眼图分析系统噪声及误码率的 方法。 第五章d p o 中数据采集系统硬件设计与实现讨论了高速a d 转换电路，高精度时 钟管理电路，数据缓冲与存储电路，f p g a 及其外围电路的设计与实现，并介绍t f p g a 的选型及相关设计概要。 第六章总结及其展望该章对整个论文工作进行总结，并提出了下一步工作展望。 本论文的工作建立在项目组课题中所设计的硬件系统平台的基础上，是两年多来工 作的总结与概括，以高速数据采集技术为核心，涉及的领域和技术包括高速采样技术、 高速串行数据采集技术、高速电路设计、f p g a 设计、v e r i l o gh d l 硬件设计语言等。 典型的数据采集技术 第二章典型的数据采集技术 数字示波器中，常用的数据采集技术有实时采样与等效采样。等效采样技术又分为 顺序采样与随机采样，本章将具体讨论这几种采样技术的原理与相关理论。在数据采集 系统中，a d c 芯片是直接影响整个系统性能的关键元件。选择合适的a d c 芯片，并相应 设计a d c 外围电路，及采样时钟生成电路是采集系统设计的首要任务。为此，本章还将 讨论影响a d c 性能的各项因素，为后续器件选型与电路设计提供依据。 2 1 实时采样技术 数据采集技术分为实时采样和等效采样两种【引。对于实时采样，是在一次触发后采 集一个记录的所有样点，类似于模拟示波器一次触发后产生一次扫描并显示一个波形。 主要的优点是能采集非周期性的单次波形。这也是实时采样技术相对于等效采样技术的 主要优点。 2 1 1 数据采集中的模数转换过程 自然界的大多数信号为模拟形式，因此模数转换过程是数字信号处理过程的第一 步。模数转换是将模拟输入信号转换为n 位二进制数字输出信号的技术。采用数字信号 处理能够方便实现各种先进的自适应算法，完成模拟电路无法实现的功能，主要包括以 下步骤 ( 1 ) 对时间与幅值均连续的带限信号进行抽样，将模拟信号转换成时间离散幅度连续 的信号： ( 2 ) 每个信号抽样的幅度被量化成2 n 个电平之一，其中n 为a d c 中用来表示一个抽样 值的位数： ( 3 ) 对离散幅度电平进行编码。 下图为利用1 0 0 m h z 的采样信号对4 m h z 的正弦信号进行a d 转换的示意图，左图为 原始信号，右图为8 位量化后得到的数字信号波形【1 0 1 。 j 匮。 图2 1a d c 转换示意图 东南大学硕士学位论文 2 i 2 低通信号采样定理 对于数据采集首先要保证能保留信号的完整信息，其次要考虑的是尽量减少数据 量，从而减轻后续信号存储和处理的负担。n y q u i s t 采样定理【l l 】【1 2 】【1 3 峙旨出：对于带限的信 号，如果信号的最高频率分量为，为了使抽样值可以完整描述信号，则至少应当以 f s 2 丘的速率进行采样，其中f s 为采样率，表达式为： x ( f ) = x ( n ) s a o r f , t - n 刀t ) ”1 ( 2 1 ) 式中，戈o ) 表示时间上连续的模拟信号，x ( n ) 表示时问上离散的采样值， s a q r f , t 一胛万) 为抽样函数。通常我们将采样定理所要求的最大采样间隔t s = i 2f m 畎，称为 n y q u i s t f n - j 隔。相应地把最小采样频率f s = 2f m a x 的一半称为n y q u i s t 频率，由该频率决定 的带宽称为n y q u i s t 带宽。如果信号带宽小于奈奎斯特频率( 见图2 2 ) ，那么这些离散的采 样点能够完全表示原信号。 、f 、飞 、。 l 1 _ 1 。j。夕 图2 - 2 满足n y q u i s t 采样定理时信号频谱 如果不能满足上述采样条件，采样后信号的频率就会重叠，即高于采样频率一半的 频率成分将被重建成低于采样频率一半的信号，如图2 3 所示。这种频谱的重叠导致的 失真称为混叠，而重建出来的信号称为原信号的混叠替身，因为这两个信号有同样的样 本值。 n f j 一?图2 3 不满足采样定理时信号发生混叠 以下两种措施可避免混叠的发生： ( 1 ) 提高采样频率，使之达到最高信号频率的两倍以上： ( 2 ) 引入低通滤波器，该低通滤波器通常称为抗混叠滤波器。 典型的数据采集技术 抗混叠滤波器可限制信号的带宽，使之满足采样定理的条件。在实际情况中抗混叠 滤波器不可能完全滤除奈奎斯特频率之上的信号。所以，采样定理要求的带宽之外总有 一些微弱的能量。 2 1 3 带通信号采样定理 实际应用中，很多信号都是带通信号，信号频率分布在有限的频带，厶) 上，而 且信号的载频频率通常都比较高，根据n y q u i s t 采样定理，可以按照f s 2 厂m a x 的采样 速率来进行采样，然而当厶远远大于信号的带宽的时候，采样频率将会很高，数据量 很大，这不仅对a d 器件的要求提高，而且对后续的信号处理电路的性能也提出了更 高的要求。而利用带通采样技术可以解决这个问题【1 3 】【h l 。 虽然信号的载频频率较高，但是信号本身的带宽不一定很宽，一般在几十兆赫兹到 百兆赫兹，带通采样技术提供了目6 n y q u i s t 采样速率低得多的速率对信号进行采样，可以 采用大于信号带宽2 倍的采样速率，这样不仅放宽了对前端的a d 的要求，对后续的信 号处理芯片的速度要求也有了很大的降低。带通采样定理可以描述为：对于一个频带有 限信号x ( f ) ，其频带限制在( 无，厶) 内，如果其采样速率满足【1 4 】【1 5 】： 等f 籍刀疗一l 其中，n 取能满足以l ( 2 2 ) 的整数，则用z 进行等间隔采样所得到的信号采 样值x ( 以瓦) 可以准确地确定原信号x ( f ) ，其中n 的最大值对应最低的可能采样率。设信号 的中心频率为z ，当信号的频带宽度b = ( 厶- l ) 一定，且信号的中心频率满足： z = 莩b ( 2 3 ) 就可以用最低带通采样频率z = 2 b 对信号进行采样，根据这个定理，可以直接将 一个中频窄带信号采样数字化，它能同时起到频谱搬移和基带信号数字化的作用。在许 多应用中，这大大地减少了对a d c 的要求。对个具有2 0 0 m h z 最大信号频率，但只有 4 0 m h z 带宽的信号进行采样，可能只需要一个约8 0 m s p s 的a d c ，而不是n y q u i s t 规定 的大于4 0 0 m s p s 的a d c 。对同样的采样频率( f s ) ，欠采样的信号频率( 大- t - t s 1 2 ) 要比过采 样( 小于f s 2 ) 高。欠采样受a d c 的高频特性影响较大，这是显而易见的。 若待数字化的模拟输入信号带宽超过了采样频率的一半，这时的采样称为欠采样 ( u n d e r - s a m p l i n g ) 或超n y q u i s t ( s u p e r - - n y q u i s t ) 采样。与此相仿，我们将采样频率高于 9 东南大学硕士学位论文 两倍n y q u i s t 频率的采样，称为过采样( o v e r s a m p l i n g ) 。不论欠采样或是过采样，在实际工 程中，均已得到了广泛的应用。 在d p o 产品中，由于需要测量的信号既可能是低通信号，也可以是带通信号，为此 在实际的讨论中，一般将待测信号当做低通信号对待，以此确定系统最高采样率是否满 足n y q u i s t 采样定律。 2 1 4 交织采样及解复用技术 在提高单片a d c 的采样速率越来越困难的情况下，许多芯片厂商采用了将多片a d c 置于同一芯片封装内，通过精确控制各片a d c 采集时钟的相位关系，来达到更高采集 速度的技术，这种方式就是通常所说的分相采集或者交织采样技术。同时利用解复用技 术，可以将高速的数据流进行降频输出，从而达到以数据位宽换取采数据流速率。 具体过程如图2 4 所示，该高速a d c 在同一封装内集成了两片a d c ，输入的一对差 分采样时钟将分别作为两路a d c 的采样时钟，c l k i 的上升沿控制q 路a d c 的采集，与之 成差分关系的c l k i n 的上升沿控制i 路a d c 的采集，同时输出的数据流采用了解复用模 式，即将每路的高速数据流分为两路，从而有效的降低了后端数据处理系统的压力。假 设下图中采样时钟频率为c l k i = i g h z ，则a d c 的输出为四路2 5 0 m s p s 的数据流 ( 4 2 5 0 m s p s _ 1 g s p s ) ，在提高实时采样速率的同时又降低了后续处理系统要求。 图2 - 4 交织采样及解复用采集过程【1 6 1 即使是置于同一封装内部，各路a d c 的性能仍然存在如通道间增益、零电平偏移 等细微差异，而在利用交织采集技术时，这些差异将导致最后拼接的转换数据的误差。 要解决这种多通道间的不匹配问题，在实际使用中，必须通过实际测量各路a d c 通道 的参数，调整外围模拟电路，补偿各种不匹配带来的影响，减小转换误差。 另外，各路a d c 芯片的实际采样时刻总会因为时钟源的相位抖动、时钟信号传输 路径的延时以及a d c 芯片本身的孔径时间等原因，导致最终转换电压的误差。具体采 样时钟抖动对采样精度的影响将在第2 2 节详细讨论。而要降低此误差，必须精心设计采 样时钟电路，使得输出采样时钟的相位抖动尽可能小，同时从采样时钟源到各路a d c 芯 片的时钟信号路径布线时必须考虑信号完整性问题，此外在时钟电路中，采样时钟信号 的相位延时最好能作微调，以补偿各路采样时钟信号传输延时和各路a d c 芯片孔径时 i o 二一= 典型的数据采集技术 间的不同。详细的工程设计实现将在5 3 节讨论。 2 2a d c 性能指标与转换噪声分析 在非理想的采样方法下会产生采样失真【1 7 1 1 8 。以下仅列举几种，如： ( 1 ) 混叠：采样定理的一个前提为信号带宽有限。有限时间长度的信号带宽为无 限大。而实际应用中的信号几乎都是有限长度的，故这些信号的带宽为无限大。在设计 采样器使其能处理适合的带宽时，必然会截掉能处理范围以外的频带，从而会影响输出 的准确性。 ( 2 ) 量化误差：由于a d c 量化精度有限，舍去小数部分而引入的误差，发生在每 次采样时a d c 所转换出的整数中。 ( 3 ) 时钟抖动( j i t t e r ) 高速a d c 的采样时钟必须具有极低的抖动( 相位噪声) ， 否则会大大降低整个采集系统的s n r 和分辨率。 下面将分别针对量化误差及采样时钟抖动对a d c 性能造成的影响进行讨论。 2 2 1 a d 转换过程及量化噪声模型 a d 转换可分为四个阶段，即采样、保持、量化和编码。取样与量化过程如图2 5 所示【1 9 1 2 0 心】。 x a ( t ) 表示一带限模拟信号，它经取样器后，交换为在时间上离散的信g - x ( n ) = x a ( n t ) ，它仍然是一种模拟信号，因为表示每一个取样值所需要的位数，从理论上说是 无限的。 x ( n ) = x a ( n t ) x ( n ) x a ( t ) 卜 卜 量化编码 l 采样 l 图2 - 5 a d 转换过程模型 要把一个采样信号准确的数字化，就需要将采样所得的瞬时模拟信号保持一段时 间，这就是保持过程。保持是将时间离散、数值连续的信号变成时间连续、数值离散信 号。虽然逻辑上保持器是一个独立的单元，但是，工程上保持器总是与采样器做在一起， 两者合称采样保持器( s h ) 。采样输出的信号在保持期间即可进行量化和编码。 量化是把采集到的数值送到量化器( a d 转换器) 编码成数字，每个数字代表一次 采样所获得的信号瞬间值。量化时，把整个幅度划分为几个量化级( 量化数据位数) ， 把落入同级的样本值归为一类，并给定一个量化值。量化过程存在量化误差，反映到 接收端，这种误差作为噪声再生，称为量化噪声。量化效应可等效为输入信号为有限字 长的数字信号，图2 6 所示为量化过程的等价表示， 东南大学硕士学位论文 图2 6 a d 转换器量化过程的等价表不 即把量化的取样值表示为： 叠( ，1 ) = q 工( 门) 】= z ( ，1 ) + e (