（电力电子与电力传动专业论文）双通道数字化仪pxi模块的研制.pdf

哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文双通道数字化仪p x i 模块的研 制，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独立进行研究 工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰 写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名李慰青r 期2 0 0 6 n3n2 日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 双通道数字化仪p x i 模块的研制系本人在哈尔滨理工大学攻读硕士学位 期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理工大学所 有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔滨理工大 学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提交论文和电子 版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采用影印、缩印或 其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 ， 保密回，在之年解密后适用授权书。 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打) 作者弥车刍研嗍加6 年孑月z 同 聊签哆秒在嗍p 年姗确 哈尔滨理i ：人学i ：学硕 ：学何沦丈 双通道数字化仪p xi 模块的研制 摘要 数字化仪能够将动态的模拟信号数字化，具有很高的分辨率和采样率，通常采 用并行的体系结构，可同时对所有通道的输入信号进行采样。p x i 总线系统是仪器 测量领域的自 沿技术，基于a ，d 变换的数字化仪模块是组建p x i 系统不可缺少的 一个关键部件。设计、开发性能优良的数字化仪p x l 模块，将对我国的p x i 总线 发展起着积极、十分重要的作用。 本文设计的双通道数字化仪p x i 模块选择了高速、大容量f p g a 作为模块的 逻辑控制单元，采用了无处理器的体系结构，实现了对双通道输入信号实时的并行 采样与高速存储传输。 模块的最高实时采样率单通道可达4 0 0 m s p s ，双通道可达2 0 0 m s p s ，具有 8 b i t s 的垂直分辨率，1 6 m 的存储深度，1 0 0 m h z 的模拟输入带宽，能够实现多种 触发模式。设计了具有无源衰减、阻抗匹配、偏置电压补偿、放大驱动功能的模拟 前端信号调理电路，确保了总体测试精度。文中详细的讨论了触发电路、，d 转换 电路及数据存储和传输电路的设计；使用c y c l o n ei i 系列f p g a 进行了模块的控制 逻辑和p x i 接口设计；并结合电磁兼容原理对模块进行了p c b 设计，总结了实际 工作中遇到的一些问题和解决办法。 关键词数字化仪；p x i b u s ；高速数据采集；v h d l 哈尔滨理。：大学：学硕十学位论文 d e v e l o p m e n t o ft w oc h a n n e l sd i g i t i z e rp x im o d u l e a b s t r a c t t h ed i g i t i z e rc a nd i g i t i z et h ed y n a m i ca n a l o gs i g n a l ，w i t hh i i g hr e s o l u t i o na n ds a m p l e r a t e g e n e r a l l y , i ta d o p t sp a r a l l e ls y s t e ma r c h i t e c t u r e w h i c hs a m p l e sa l lt h es i g n a l sa tt h e s a m et i m e t h ed i g i t i z e rm o d u l eb a s e do na di st h ei n d i s p e n s a b i l i t yp a r tf o rb u i l d i n gp x i s y s t e m ，w h i c hi st h el e a d i n ge d g et e c h n i q u ei nt h ef i e l do fi n s t r u m e n t sm e a s u r e m e n t i ti s i m p o r t a n tt od e s i g na n de x p l o i tt h ep x im o d u l ed i g i t i z e rw i t hg o o dp e r f o r m a n c ef o rt h e d e v e l o p m e n to fp x i b u si no u rc o u n t r y t h et w oc h a n n e l sd i g i t i z e rt a k e sh i g hs p e e da n dc a p a c i t yf p g aa st h el o g i cc o n t r o l u n i lw i t ht h ea r c h i t e c t u r eo fn op r o c e s s o r , i m p l e m e n t st h er e a lt i m ep a r a l l e ls a m p l i n ga n d h i g hs p e e ds t o r i n ga n dt r a n s m i t t i n g t h eh i 【g h e s tr e a lt i m es a m p l i n gr a t eo fs i n g l ec h a n n e li s4 0 0 m s p s ，a n d2 0 0 m s p sf o r t w oc h a n n e l s ，w i t hf e a t u r e sl i k e8 b i t sv e r t i c a lr e s o l u t i o n ，1 6 mm e m o r yd e p t h ，1 0 0 m h z a n a l o gi n p u tb a n d w i d t h ，a n dm u l t i m o d et r i g g e r i tp r o m o t e st h er e l i a b i l i t ya n dt h eg e n e r a l m e a s u r ep r e c i s i o no ft h em o d u l ew i t ht h ed e s i g ns u c ha sn o s o u r c ea t t e n u a t i o n ，i m p e d a n c e m a t c h i n g , o f f s e tv o l t a g ec o m p e n s a t i o n ，a n a l o gf r o n t - e n ds h a p i n gc i r c u i t t h a ta m p l i f i e s d r i v ef u n c t i o n t h ed e s i g no ft r i g g e rc i r c u i t , a dc o n v e r tc i r c u i t ，d a t as t o r a g ea n d t r a n s m i s s i o nc i r c u i ta r ed e s c r i b e dp a r t i c u l a r l yi nt h i st h e s i s t h ec o n t r o ll o g i ca n dp x i i n t e r f a c ea r ed e s i g n e di nc y c l o n e hs e r i a lf p g a t h ep c bo ft h em o d u l ei sp l o t t e d c o m b i n e dw i t ht h ep r i n c i p l eo fe m c ，a n ds o m ep r o b l e ma n ds o l u t i o nm e e t si np r a c t i c ei s s u m m e du pa l s o k e y w o r d sd i g i t i z e r ；p x l b u s ；h i g h - s p e e dd a t aa c q u i s i t i o n ；v h d l i i 哈尔滨理i ：人学i ：。硕十学化论文 目录 摘要1 a i s tr a c t i i 第1 章绪论1 1 1 本课题的研究意义1 1 2 数字化仪概述。1 1 2 1 数字化仪简介1 1 2 2 数字化仪与数字示波器的区别2 1 2 3 数字化仪的发展趋向3 1 3p x i 总线系统概述5 1 3 1p x i 总线系统概述5 1 3 2p c i 、p x i 、v x i 的比较。6 1 3 3p x i 总线系统国内外研究现状7 1 4p x i 总线数字化仪模块国内外研究现状8 1 4 1 国内研究现状及分析8 1 4 2 国外研究现状及分析8 1 5 本课题设计任务8 1 6 本章小结。9 第2 章总体方案设计1 0 2 1 总体方案概况1 0 2 2 系统研制工作的难点和关键点分析1 l 2 2 1 技术关键点分析1 1 2 2 2 系统硬件研制工作的难点1 1 2 3 总体方案设计1 2 2 3 1 基于a d 9 4 8 0 的方案1 3 2 3 2 基于a d 9 2 8 8 的方案1 4 2 3 3 基于m a x l 0 6 的方案1 5 2 4 总体方案设计的比较和结论1 7 2 5 本章小结1 8 第3 章数字化仪模拟前端电路设计1 9 3 1 通道信号调理电路 3 1 1 无源衰减网络 3 1 2 阻抗变换电路 3 1 3 主放与驱动级电路：2 2 3 1 4 偏置电压补偿调整电路2 3 3 2 触发电路2 3 3 2 1 触发源选择电路2 4 3 2 2 触发比较电路。2 5 3 3 本章小结2 6 第4 章高速数据采集电路设计2 7 4 1 分相多路数字化技术2 7 4 2 时钟电路设计2 8 4 3 高速数据采集电路设计3 0 4 3 1a ，d 转换器的性能特点3 0 4 3 2a d 转换器接口电路设计3 1 4 3 3 误差分析3 2 4 4 本章小结3 3 第5 章数据存储传输电路设计3 4 5 1 关于d d rs d r a m 存储器：3 4 5 1 1d d rs d r a m 管脚分类3 4 5 1 2d d rs d r a m 的特性3 5 5 1 3d d r s d r a m 常用操作说明3 6 5 2f p g a 的选择3 9 5 3 基于d d rs d r a m 的数据存储传输电路设计4 0 5 4 本章小结4 1 第6 章p x i 接口电路设计4 2 6 1p x i 总线规范4 2 6 1 1p 机械规范特性4 2 6 1 2p x i 总线电气结构。4 5 6 1 3p x i 面向仪器领域的特性4 6 6 1 4p x i 总线软件规范。4 7 6 2p x i 接口电路没计4 8 6 2 1p x i 接口设计方案比较4 8 哈尔滨理i ：人学i ：学硕 ：学何论文 6 2 2p x i 接口电路设计5 0 6 3 本章小结5 2 第7 章高速印制板设计5 3 7 1 高速信号5 3 7 2 传输线及传输效应5 4 7 2 1 传输线理论5 4 7 2 2 传输线效应5 5 7 3 布局布线设计5 6 7 3 1 布局的原则5 6 7 3 2 布线设计5 6 7 4 本章小结5 8 结论5 9 参考文献6 0 攻读学位期间发表的学术论文6 3 致谢6 4 哈尔滨理f ：人学。1 ：学硕卜学何沦文 1 1 本课题的研究意义 第1 章绪论 随着电子技术的迅速发展以及计算机在自动检测和自动控制系统中的广泛 应用，利用数字系统处理模拟信号的情况变得更加普遍。数字电子计算机所处理 和传送的都是不连续的数字信号，而实际中遇到的大多是连续变化的模拟量，数 据采集的作用就是将这些模拟信号数字化，因而其是现实世界中模拟信号通向数 字信号的桥梁，是电子技术发展的关键和瓶颈所在。数字化仪是目前常用来测试 模拟信号的主要仪器之一。其具有很高的分辨率、采样率。通常采用并行的体系 结构，每个通道有独立的a d c 转换器，可同时对所有通道的输入信号进行采 样。作为新兴的仪器总线系统和自动测试系统的优秀平台，p x i 总线在我国测试 和仪器领域的应用日益广泛，代表了当今和未来测试系统技术的发展方向。基于 a d 变换的数字化仪模块是组建p x i 系统不可缺少的一个关键部件。数字化仪 模块担负着将被测的模拟信号转变成相应的数字信号即数字化的任务，其性能将 直接影响p x i 测控系统的性能。设计、开发性能优良的数字化仪p x i 模块，将 对我国的p x i 总线发展起着积极、十分重要的作用。， 本课题是基于p x i 总线的数字化仪模块的研究。目前国外比较大的几家仪 器生产商都生产了其相关产品，均达到了很高的水准。而国内在这一领域的生产 研制还相对落后，技术还不够完善，产品的技术指标不够高，并且国外产品价格 极其昂贵。因此，在国内研究和开发数字化仪p x i 模块对我国的测量和控制领 域的发展具有重要的意义。 1 2 数字化仪概述 1 2 1 数字化仪简介 数字化仪往往被理解为只是一个模数转换器( a d c ) ，其实作为测量仪器的 数字化仪具有更深层的技术涵义，复杂的数字化仪相当于一台不带显示器的数字 存储示波器( d s o ) ，而且功能更丰富。 简单地况，数字化仪就是具有数字信号处理能力的数据采集仪器。其具有 很高的分辨率、采样率。通常采用并行的体系结构，每个通道有独立的a d c 转 哈尔滨理f ：人学i ：学硕 j 学化论文 换器，可同时对所有通道的输入信号进行采样。其强大的数据处理功能，可以对 采集数据进行各种的分析( 如频谱特性分析) ，其对数据的分析能力远远超过扫描 d 和示波器。 数字化仪能够详细比较不同通道的输入信号，找出信号之间的相关性及差 别。数字化仪在问题已经知晓和需要更多的特殊信息时起更大的作用。数字化仪 早期主要用于数据采集，处理来自各种传感器、变压器的温度、压力、速度、加 速度等的低速物理参数的多路输入信号，采样率一般在1 0 0 k s s 以下，随着数字 技术和计算技术的完善，数字化仪的取样率有很大提高，目前，已有取样率 1 0 g s s 的数字化仪产品，可处理5 g h z 的模拟信号。其主要用于瞬态信号、中 频基带信号、噪声和震动信号等的测试憎。 1 2 2 数字化仪与数字示波器的区别 从工程技术角度看两者有如下区别1 ： 1 早期的示波器采用模拟技术，针对波形显示；近期的示波器采用数字技 术，除具备波形显示功能之外，同样可供数据采集。但是示波器的输入通道只有 4 路，显示屏一般是8 1 0 格，垂直分辨率是8 位，同时具有很高的取样率和扫 描范围。相对示波器来说，数字化仪的输入通道数远远超过1 0 路，垂直分辨率 大于1 0 位，取样率往往比较低，并且不带波形显示屏。 2 数字示波器采用独立的高精度时钟发生器，产生倍频和分频作为模数转 换的取样脉冲，但采用扫描速度表示，即每格的时间间隔( i n1 u s 格1 。早期的数 字化仪通常采用p c 控制器的软件定时回路产生取样脉冲，近期的数字化仪都有 硬件的时钟发生器，用来产生精确的取样脉冲。例如重复频率1 k h z ( 周期1 m s ) 的取样时钟，施加到1 0 路输入时，作为顺序取样的每路的取样率只有 1 0 0 g s s 。采用突发取样可明显提高每路的取样率，如果在上例中取样时钟仍然 是1 0 0 k h z ，但每路的突发取样率可采用1 g s s 和直至模数转换器的最高取样 率。此时，每路之间的相对时间偏移办明显降低，因为相对时l 日j 偏移与取样周期 成j f 比。 3 数字示波器除装有前端的模数转换电路之外，还有后端的数模转换电路 和显示电路，前端电路可实现高速渎入，后端电路通常采用慢速读出，整个系统 属于“快进慢出”性质。数字化仪只着重于模数转换功能，本质上具有快速处 理的特点，同时数字化仪的垂卣分辨率一般在1 2 化以- 卜，比数字示波器的8 位 分辨率要高得多，整个系统属于“快进快出”性质。 哈尔滨理r ：大学r 学硕十学位论文 4 数字示波器主要采用台式机箱，有大量选件可供使用，数字化仪往往是 模块式、嵌入式和插卡，实用性更强，也更加灵活，相应成本较低，用户面更 广。换句话说，数字化仪比数字示波器具有更高准确度、更高分辨率、更深存储 容量和更强的实用性。 5 数字示波器供应商为了适应数字化仪用户的需求，特别是模块式和插卡 式数字示波器亦增加数字化仪的某些功能。同样数字化仪走向与数字示波器兼 容，顾及示波器用户习惯于观察波形的要求，增加波形输出的功能。总之，数字 示波器与数字化仪互相取长补短，达到一机两用的目的，用户在选型时应该留 意，尽量使用针对具体应用的产品，避免功能过剩或不足。 1 2 3 数字化仪的发展趋向 数字示波器、数字化仪、数据采集系统、模拟数字转换卡之间的技术整合 步骤加快，性能更趋完善，传统上这几种测量仪器在特性方面各有侧重，现今相 互差别缩小，但是数字化仪仍然具有自身的发展趋向，主要表现为： 1 分辨率更高，动态范围更大由于集成电路技术的进步，低频的a d c 芯 片分辨率达到3 2 位，数字化仪采用高性能的a d c 芯片后分辨率达到2 4 位，动 态范围从几v 增加到几十v 。例如m 公司的p x i 4 4 6 1 数字化仪模块具有2 4 位 的分辨率，1 1 7 d b 的动态范围，两路输入的电压量程从3 1 6 m v 至4 2 4 v ，最 高取样率是2 0 4 8 k s s 。p x i 4 4 6 1 还可作为2 4 位动态范围的合成信号发生器使 用，以便实现声学、电声和振动的精密测量。d a t at r a n s l a t i o n 公司的d t 9 8 4 1 采 用u s b 接口，同样是2 4 位分辨率，8 路差分输入的取样率达到1 0 0 k s s ，系统 准确度是0 0 2 ，d t 9 8 4 1 的插卡面积只有2 3 3 2 2 0m m 。 2 更高取样率和更宽频带随着数字示波器在2 0 0 0 年前后取样率突破 5 g s s 和实时带宽超过1 g h z ，促进数字化仪在取样率带宽方面有明显提高，推 出取样率2 5 g s s 和实时带宽1 g h z 的模块仪器。l e c r o y 公司的p x i 系列数字 化仪提供多种带宽5 0 0 m h z 至1 g h z 的产品，最高取样率达到2 5 g s s ，每路存 储容量最大8 m 样点，前端电路采用s i g e 工艺的单芯片，使整个测量系统非常 紧凑，体积小巧。另一家生产多种高指标的数字化仪公司a c ：g i r i s 同样采用 s i g e 工艺，使前端放大器的带宽超过1 g h z 。a p 2 4 0 是双路输入，取样率最高 2 g s s ，实时带宽1 g h z ，p c i 插卡式的数字化仪。a c g i r i s 公司认为，利用几块 2 g s s 取样率的a d c ，通过精确的交叠定时技术可获得取样率达到8 g s s 和1 0 位分辨率的数字化仪。事实上，数字示波器已利用4 块5 g s s 取样率的a d c 芯 哈尔滨理i ：人学一i ：学硕 ：学位论文 片，获得2 0 g s 取样率和8 位分辨率的产品，而且利用2 块2 0 g s s 取样率的 a d c 芯片，构成2 0 g s s 取样率的产品。因此，数字化仪的取样率还有很大提高 余地，实时带宽超过2 g h z 并无技术难点。 3 采用更高传输率的总线数字化仪除了实时带宽和分辨率之外，总线传 输率具有十分重要意义，因为模数转换后的高速数据流要通过总线传送到数据 处理用的后台p c 机，特别是在几十路输入的情况下，即使取样率1 m s s 和分辨 率1 4 位的数据流，也会全部占用1 0 0 m b s 传输率的p c i 总线带宽。现在，数字 化仪开发速度更高的p c ie x p r e s s 总线产品，它的5 0 0m b s 传输率将可显著提高 数字化仪的带宽，接纳更多路的高速输入信号。s t r a t e g i ct e s t 公司甚至考虑采用 1 6g b s 的光纤总线，以实现g h z 级实时带宽数字化仪的多路信号传送。 4 采用更深的存储器和新的存储芯片在高速数字化仪中，存储器容量越 来越大，一般有8 m b 、1 6 m b 、3 2 m b ，这些存储器起着高速缓存的作用，有助 于更长时问的数据采集、分配、复用、减轻有限总线带宽的影响，亦即在高速、 高分辨率的数字化仪中必须有深存储器的配合。a e r o f l e x 公司的c s 3 5 1 5 0 是为 r f 通信数据分析而设计的数字化仪，双路输入的实时带宽6 0 0 m h z ，取样率 1 5 g b s ，配备有1 g b 的存储器，也是现今市售数字化仪中存储量最大的产品。 c s 3 5 1 5 0 可记录1 0 秒的6 0 0 m h z 信号，进行各种标准通信协议所要求的信号分 析。新型高密度存储器芯片受到数字化仪设计者的欢迎，特别是现场可编程逻辑 器件( f p l d ) 芯片，由于速度快、存储量大、灵活性和适应性强，既可作为逻辑 电路亦可作为存储电路使用。 5 嵌入式微处理器和开放式软件多至1 0 0 路高频信号输入的数字化仪系 统f 在现场使用，大量的数据流直接送到后台p c 机作实时处理，对计算机的要 求太高。因而高速数字化仪开始采用嵌入式微处理器、数字信号处理器、快速富 氏变换器等数字处理手段，对数据流作预处理后送到后台p c 机。在软件方面， 数字化仪为了便于与主流测量仪器兼容，普遍采纳更多的开放式操作系统、工业 标准编程语言、驱动器和应用程序接口，包括w i n d o w s 和l i n u x 操作系统、l a b v i e w 图形编程语言、可视b a s i c 和c + + 语言、v x l p n p 和i v i 驱动器、 m a t l a b 等应用软件库等。由此可见，近年来数字化仪在智能化方面取得很大 进展。 6 取样率的选择和应用领域对大多数数字化仪来晚，在取样原理上必须 遵循n y q u i s t 定律，即取样率大于或等于两倍最高信号频率。实际上，为了减少 混淆信号，许多数字化仪采用1 0 倍取样率以上的过取样，以便捕捉输入信号的 失真、过冲和毛刺等详细数据。正好相反，在射频通信应用中，数字化仪往往处 哈尔滨理i ：大学l ：学硕十学位论文 于欠取样，信号调制带宽比取样率还高一些，因为调制频率通常比r f 和i f 要 低得多。欠取样是相对过取样来说的，在电路实现方面要更复杂一些才能避免混 淆信号的干扰。g a g e 应用科技公司最近推出的一种1 4 1 0 0 数字化仪插卡具有高 取样率和高分辨率，专门针对移动通信的应用，它提供1 4 位的双路输入，最高 1 0 0 m s s 的取样率和3 0 0 m h z 的实时带宽，1 6 m s s 每路的存储容量，p c i 插卡 具有2 0 0 m b s 的数据传输率，可组成最多8 块插卡的数字化仪系统。 如上所述，早期的数字化仪主要用于工业控制的低频传感器、变送器的数 据采集，后来数字化仪不断从数字示波器等数字仪器吸取成功经验，扩展应用频 段，扩大应用范围，发挥模数转换的数字化优势，在高分辨率、高传输率、深 存储容量、电路结构简单、充分发挥丌放式总线等优点，以较低的价格优势而获 得用户的认可，数字化仪己广泛应用于工业控制、移动通信、雷达跟踪、军事国 防、航空航天等领域，成为测量仪器的重要组成部分。 1 3p x i 总线系统概述 1 3 1p xi 总线系统概述 1 9 9 7 年1 0 月，美国n a t i o n a li n s t r u m e n t s 公司率先推出p x i ( p c ie x t e n s i o n sf o r i n s t r u m e n t a t i o n ) 旧1 模块仪器系统的技术规范，它一经出现，立刻受到各方面有识 之士极大的关注，作为一个开放的工业标准，已有3 5 个公司表示承认并成立了 p x i 系统联盟。在我国，1 9 9 8 年己拥有了p x i 模块仪器系统的第一批用户。目 前，由于p x i 模块仪器系统卓越的性能和极低的价格，使越来越多的从事自动测 量的工程技术人员开始关注p x i 的发展。 p x i 的核心是c o m p a c tp c i 的结构与m i c r o s o f tw i n d o w s 软件，也就是蜕，将高 速p c i 总线和c o m p a c tp c i 模块结构的所有优越性能( 如优良的机械性能，易于系 统集成，以及比台式计算机更多的扩展槽等1 集中于一身，加上人们在台式p c 机 上所熟悉的兼容性，这一切，都使得p x i 用户能够把包括机械、电气和软件在内 的所有p c i 的优越性能通过m i c r o s o f tw i n d o w s 软件直接应用到测试、测量、数据 采集和工业控制中去，而随着众多厂商加盟p x i 系统联盟，使得用户在配置p x i 系统时可以从日益增多的p x i 模块及众多厂商提供的数以百计的c o m p a c tp c i 模 块中来选择合适的产品k 。 1 3 2p ci 、p l 、 基于p c i 总线、 有各自的特点与应用 与传统仪器组建 能、灵活性、易用性 算机插卡相同的尺寸 统，充分利用计算机的资源来实现数据采集及处理、故障分析诊断和过程控制等 功能。与基于其它总线的虚拟仪器测试系统相比，价格低廉的特点使其在工业、 军工、教育和科研领域得到了广泛应用。缺点在于这种测试系统缺乏触发线标准 化及其所处的计算机环境不能满足大功率，高质量冷却。插卡的连线也可能因所 用的计算机型号的限制而生产困难，而且插槽数十分有限，难以容纳大量的通道 i a l 0 对于基于p x i 总线的虚拟仪器测试系统，由于p x i 总线产品对p c i 总线产品的 完全容，这样在许多领域，它们与基于p c i 总线的虚拟仪器测试系统可以互相代 替，而性能超过前者，只是价格稍高一些。用户如果想将现有的基于p c i 总线的 虚拟仪器测试系统转向基于p x i 总线的虚拟仪器测试系统，只需对硬件投资，原 有的软件可不加任何修改而运行在p x i 系统上。同时由于p x i 总线对机箱内部器 件工作环境作了严格的规定以及p x i 系统拥有比台式机设计更多的扩展槽，致使 p x i 系统可以在恶劣工作环境下正常工作，从而可以适应各种各样更大更复杂的 测试领域。由于p x i 总线是在p c i 总线基础上借鉴v x i 总线的仪器特性组合而成， p x i 系统在价格上和性能上介于p c i 系统矛n v x i 系统之间。v x i 与p x i 的扩展性能 比较见表1 1 ： 表1 - 1 v x i 与p x i 扩展性能比较 t a b l e1 1t h ec o m p a r eo fe x t e n d e df u n c t i o n sb e t w e e np x ia n dv x i 局部总 参考时钟 触发线星形总线连接器标准 线 v x l 1 0 m h ze c l8 t i l & 6 e c l 2 ( 仅d 尺寸) 1 2 线d l n 4 1 6 1 2 p x l1 0 m h zt t l8 1 t t t l11 3 线i e c 1 0 7 6 v x i 总线从1 9 8 7 年诞生全今虽然历史不长，但v x i 总线产品从无到有、从小 到大，已形成规模生产，特别是从9 0 年代开始，v x i 总线的产品发展呈指数上，l 哈尔滨理i ：人学i ：2 顾十学位论文 趋势。v x l 总线模板本身不带电源，没有面板、按键、旋钮和显示器，电参数的 设定及测量结果显示必须通过软件面板来实现，是很好的虚拟仪器系统平台。将 v x i 总线这项技术与计算机网络技术相结合，利用现有的互联网资源，可实现交 互式网页基础上组建远程通信及测试网络。v x i 总线的系统结构为虚拟仪器丌发 提供了更为理想的环境。基于v x l 总线的虚拟仪器测试系统将会成为二十一世纪 程控测试系统的主流阳1 。目前由于价格昂贵，它主要应用在尖端测试领域，据数 据资料表明，v x i 系统用户7 2 来源于通讯业和军工业。 不同的测试任务对测试系统有不同的要求，一种虚拟仪器测试系统不可能 涵盖整个社会对测量的要求。对虚拟仪器测试系统的发展应该有一个客观的认 识。基于p c i 总线的虚拟仪器测试系统通常适用于低频低速的过程测控系统、教 学实验和实验室常规测试训。基于p x i 总线的虚拟仪器测试系统由于电磁兼容性 能及冷却性能的改善和模块化结构，可用在一般要求的自动测试系统场合和系统 造价有所限制的自动测试系统。基于v x i 虚拟仪器测试系统具有良好的性能，可 用于自动测试系统特别是高速大数据量自动测试系统，宽频带自动测试系统和军 用自动化测量。 1 3 3p xi 总线系统国内外研究现状 1 国外研究现状国外p x i 系统目前已有很多应用，如m i c r o c r a f t 公司选 用n l 基于w i n d o w sn t 的p x i 模块化测试系统很好地满足了测试系统高速、 高精度和高可靠性的要求，且价格比较适中。应用除传统的测试和测量领域外， 还可应用于现场服务、机械监测、数据采集、嵌入式系统和工业自动化等领域。 n l 公司基于p x i 总线的产品包括了从机箱、零槽控制器、数据采集、图像采 集、仪器、马达控制、串行接口、g p i b 接口、m x i 2 接口、网络等一系列领 域。p x i 系统联盟的成员也从4 家发展到了4 0 0 多家，经过几年的发展，在国 外，p x i 产品已经极大的丰富起来了1 。 2 国内研究现状国内对于p x i 系统的应用于研究、丌发相对滞后很多， 基于p x i 总线的功能模块在国内研发完成的还不多见。对于p x i 总线模块国内 只是购买n i 公司的产品作系统集成，如西安某研究所已经引进了p x i 的分布式 三级测控系统，包括各种软件。对- f - p x i 总线技术的研究、开发尚处于消化资 料、了解性能、特点等起步阶段。多数仅介绍p x i 总线的结构及其机械、电气 和软件方面的结构和部分p x i 广：品的特点等。对p x i 总线产品的自主研发也相 对滞后于v x i 总线产品的研发。 哈尔滨理i ：人学i ：学硕十伊论文 1 4p xi 总线数字化仪模块国内外研究现状 1 4 1 国内研究现状及分析 国内一些p x i 总线仪器产品研究丌发单位主要的相关产品是多路并行a ，d 模块，多路并行d 主要用于数据的采集，并不具备数字信号处理和数据的时 域频域分析能力，如果要求其对其采样数据进行数字信号处理，则会大大占用 c p u 的运行时间，从而降低采样的速率。可以看出，多路并行a ，d 模块中，采 样速率和数据处理之间是相互制约的。因此其在使用上有一定的限制。具有数字 信号处理功能及高速采集大容量数据存储的p x i 总线数字化仪研制还比较落 后，技术也不够完善，产品的技术指标还不够高。凌华科技推出的p x i 9 2 8 0 双 通道数字化仪，采样率达到了6 5 m s s ，垂直分辨率1 4 位，存储容量最大可达 5 】2 m b 。 1 4 2 国外研究现状及分析 国外一些著名的仪器公司如n i 、t e c h n o l o g y 、g a g e 等公司均有各自 的p x i 总线数字化仪模块产品。n i 公司最新推出了n ip x i 5 1 2 41 2 位、双通道 数字化仪，采样率提到至2 0 0 m s s ，提供了7 5 d b c 非寄生动态范围( s p u r i o u s f r e e d y n a m i cr a n g e ，简称s f d r ) 和1 5 0 m h z 的带宽；2 0 0 5 年3 月n i 公司又推 出了可变分辨率数字化仪p x i 模块p x i 5 9 2 2 ，可实现多种动态测试功能，n i p x i 5 9 2 2 数字化仪使用n ih e x l ia d c ，具备了可变的分辨率，并能在1 5 m s s 1 6 位到5 0 0k s s2 4 位的范围内进行采样；g a g e 公司的c s 8 2 g ，具有8 通道输 入，2 g s s 实时采样率，8 位垂直分辨率，1 6 m 存储深度；l e c r o y 公司的p x i 系列数字化仪提供多种带宽5 0 0 m h z 至1 g h z 的产品，最高取样率达到2 5 g s s ，每路存储容量最大8 m 样点，前端电路采用s i g e7 - 艺的单芯片，使整个 测量系统非常紧凑，体积小巧，都达到了很高的水准。 1 5 本课题设计任务 综上所述，本课题的基本内容是研究丌发基于p x i 总线的双通道数字化仪 模块，主要研究内容包括： 1 掌握p c i 、c o m p a c t p c i 、p x i 总线规范； 哈尔滨 2 模拟前端电路的设计； 3 a d 转换电路设计； 4 高速数据存储及传输电路设计； 5 利用f p g a 技术，对模块的控制逻辑和p x i 接口电路进行设计； 6 完成模块的原理图及p c b 制板，进行相关硬件调试。 该系统主要的技术指标如下： 1 单插槽，3 u 尺寸； 2 系统最高实时采样率4 0 0 m s p s ； 3 带宽1 0 0 m h z t 4 采样垂直分辨率8 b i t ； 5 输入通道2 通道； 6 存储深度为1 6 m b ； 7 多种触发方式：信号触发、外触发、p x i 触发等触发模式； 8 允许2 通道同时工作，可以相互独立工作，也可以共用同一采样时钟和 同一触发信号以进行同步工作。 1 6 本章小结 本章主要介绍了数字化仪的概况，分析了数字化仪与数字示波器的区别； 叙述了p x i 总线技术的发展历程和总线系统的大致体系结构以及与p c i 、v x i 总 线系统的差异；详细分析了p x i 总线数字化仪在国内外的发展现状；确定了本 文的主要研究内容和要达到的主要技术指标。 哈尔滨理i ：人学。i i 学硕q - ：。- c - fl 论文 詈詈詈= = = = 詈詈詈= ! = 詈詈詈詈! 詈詈詈詈詈= = = = = = ! = ! 鼍詈詈詈皇皇皇= = 詈詈詈= = 詈= 詈詈詈詈詈詈詈= ! ! 喜= = 詈詈詈皇= = 詈詈詈= = ! ! 墨 2 1 总体方案概况 第2 章总体方案设计 本课题研制的双通道数字化仪p x i 模块是一个单插槽3 u 尺寸模块，本模块具 有双通道输入，1 0 0 m h z 输入带宽，8 位的垂直分辨率，采用实时采样技术，最高 实时采样率可达单通道4 0 0 m h z 、双通道2 0 0 m h z 。本模块主要包括高速数据采集 电路、控制逻辑和存储电路、p x i 接口电路三大部分。所有电路必须在一个3 u 尺 寸的线路板上全部容纳，电路布局必须十分紧凑。其硬件电路原理框图如图2 - 1 所 示： 高速r a m l ； 厂 - a 銎 总 线 数据采集电路由对被测信号的调理、放大、滤波、a d 转换、信号波形数字化 和信号特定区段的数据捕获等多个环节组成”圳“3 。经过调理后的信号一路通过交流 耦合送到触发电路的输入端，用来形成触发脉冲：另一路区接耦合到a d 转换器 的模拟量输入端进行模数转换。d 转换电路是数据采集部分的核心电路，完成输 入信号的高速d 转换。a d c 的选择非常重要，直接关系到模块研制的成败。控 1 超高速采样理论及应用众所周知，数字化仪的采样率越高，就越能准确 的再现信号波形，所获得的波形信息就越多。无失真再现信号波形的本质技术是提 高数字化仪的有效带宽，满足对各种频率尤其高频信号测试的需要。数字化仪的有 效带宽取决于其最高数字化速率。从本质上提高采样速率有赖于先进的硬件设计和 超高速采样理论的应用和实现。 2 宽带模拟前端设计和合适的探头选取要完成对被测信号的采集测量，必 须使用探头将信号安全、可靠、无衰减、无干扰地引入到数字化仪。探头的带宽必 须比数字化仪的带宽宽得多以保证足够的系统带宽。探头尖端的接地线必须和被测 电路连接从而保证很好的屏蔽。宽带模拟前端的设计是整个系统设计的基础，如果 系统模拟前端的带宽达不到要求，信号通过模拟前端后已经产生失真，即使系统的 采样速率相对于信号的最高频率足够高，数字化仪也是无法完成采集测量任务的。 3 超高速实时采集系统设计这是整个系统设计的核心，涉及到模数变换技 术、高速缓存的管理、智能触发以及采集模块的高速数据传输等技术。 4 数字信号处理技术数字化仪的技术涉及很多方面，本文将重点讨论该数 字化仪设计中实际应用到的几种与提高数字化仪能密切相关的理论或技术。 2 2 2 系统硬件研制工作的难点 1 单通道4 0 0 m s p s 、双通道2 0 0 m s p s 实时采样随着v l s i 技术与工艺的发 展，单片a d c 的采样速率已高达2 g s p s ，但价格