（测试计量技术及仪器专业论文）500msps手持式示波器数字系统与电源模块的设计.pdf

摘要 摘要 手持式数字示波器由于兼具数字存储示波器和数字万用表的所有测量功能和 技术特性，体积小、重量轻、功耗低，特别适合于野外、机动等使用场合。 目前，国外的手持式数字示波器在市场上处于垄断地位，国内的研究起步较 晚，且市场上多为低端产品。在此背景下，本课题组决定为国内某公司研发出一 款5 0 0 m s p s 手持式数字示波器，以打破国外品牌的垄断地位，树立自己的民族品 牌。本论文主要完成该项目的硬件部分的设计，包括数据采集系统和电源模块的 设计。 文中首先介绍了数据采集系统的设计。数据采集系统的设计包括采样电路的 设计、缓存电路的设计以及控制模块的设计。采样电路的主要功能是完成对信号 的高速采样，缓存电路主要用来存储采集到的数据，控制模块的作用是便于实现 示波器的时基、触发等功能。 文中还介绍了电源模块的设计与实现。电源模块的设计包括了高效率的 d c d c 转换电路的设计、l c d 驱动电路的设计、电池的充电管理和电池的电量检 测功能的实现。 论文的最后还介绍了系统功耗的动态管理。为了降低系统的平均功耗，首先 从硬件上设计并实现了各个功能模块功耗的可控性，然后在系统运行的过程中， 根据系统的运行状态对各个功能模块的功耗实施动态的管理。 关键词：手持式数字示波器，数据采集系统，电源模块，功耗管理 a b s t r a c t a bs t r a c t h a n d h e l dd i g i t a lo s c i l l o s c o p et a b l ea sar e s u l to f b o t hd i g i t a ls t o r a g eo s c i l l o s c o p e a n dd i g i t a lm u l t i m e t e ra l lm e a s u r e m e n tf u n c t i o n sa n dt e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i c s ，s m a l l s i z e ，l i g h tw e i g h t ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o n ，i sp a r t i c u l a r l ys u i t e dt ot h ew i l d ，s u c ha st h e u s eo fm o t o ro c c a s i o n s a tp r e s e n t , f o r e i g nh a n d h e l dd i g i t a l o s c i l l o s c o p ei nt h em a r k e ti nam o n o p o l y p o s i t i o n , t h ed o m e s t i cl a t es t a r to ft h es t u d y , a n dt h em a r k e tf o rl o w e n dp r o d u c t s i n t h i sc o n t e x t ，t h eg r o u pd e c i d e dt od e v e l o pac o m p a n yi n t e r n a l5 0 0 m s p sah a n d h e l d d i g i t a lo s c i l l o s c o p ei no r d e rt ob r e a kt h em o n o p o l yo ff o r e i g nb r a n d s ，t oe s t a b l i s h 也e i r o w nn a t i o n a lb r a n d i nt h i sp a p e r , t h ec o m p l e t i o no ft h ep r o j e c tt h em a i np a r to ft h e h a r d w a r e d e s i g n ，i n c l u d i n gd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e ma n dp o w e rm o d u l ed e s i g n t h ea r t i c l ei n t r o d u c e st h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e md e s i g n d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m d e s i g n ，i n c l u d i n gs a m p l i n gc i r c u i td e s i g n ，c i r c u i td e s i g n ，a sw e l la sb u f f e rc o n t r o l m o d u l ed e s i g n t h ep r i m a r yf u n c t i o no ft h es a m p l i n gc i r c u i ti sac o m p l e t eh i g h s p e e d s a m p l i n go ft h es i g n a l ，t h ec i r c u i ti sm a i n l yu s e dt os t o r ec a c h ed a t aa c q u i s i t i o na n d c o n t r o lm o d u l ei st of a c i l i t a t et h er e a l i z a t i o no ft h er o l eo ft h eo s c i l l o s c o p et i m eb a s e ， t r i g g e rf u n c t i o n s i ta l s oi n t r o d u c e dt h ep o w e rm o d u l ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o n p o w e rm o d u l e d e s i g ni n c l u d e sah i g h - e f f i c i e n c yd c d cc o n v e r t e rc i r c u i t ，l c dd r i v e rc i r c u i td e s i g n ， b a t t e r ym a n a g e m e n ta n db a t t e r yc h a r g i n gp o w e rd e t e c t i o ni sa c h i e v e d t h ef i n a lp a p e ra l s od e s c r i b e st h ed y n a m i cp o w e rm a n a g e m e n ts y s t e m i no r d e rt o r e d u c et h ea v e r a g es y s t e mp o w e rc o n s u m p t i o n ，f i r s to fa l lf r o mt h eh a r d w a r ed e s i g na n d r e a l i z a t i o no ft h ev a r i o u sf u n c t i o n a lm o d u l e so ft h ec o n t r o lp o w e r , a n dt h e ni nt h e p r o c e s so fs y s t e mo p e r a t i o n ，t h eo p e r a t i o no ft h es y s t e ms t a t eo ft h ev a r i o u sf u n c t i o n a l m o d u l e so ft h ei m p l e m e n t a t i o no fd y n a m i cp o w e r m a n a g e m e n t k e yw o r d s ：h a n d h e l dd i g i t a lo s c i l l o s c o p e ，d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m s ，p o w e r m o d u l e s ，p o w e rm a n a g e m e n t i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，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 为获得电子科技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 确的说明并表示谢意。 繇主 圭塾 蹶徊年譬舄洳 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名： 导师签名：迈盘盐 晦矽7 年多月夕日 第一章前言 1 1 概述 第一章前言 典型的示波器产生一个二维的图形，输入端接收的电压绘制在y 轴方向上， 而时间则绘制在x 轴方向上，在屏幕上一条亮的轨迹来显示这个图形，用建立一 个波形来描述某些变量随时间的瞬时变化。 示波器大多数是用在瞬时电压信号的直接测量中这种瞬时电压信号主要产生 于一些电子设备，例如计算机、自动控制器、电话、无线电、电视、供电设备等。 在那些运用快速变换电信号、脉冲或声波束来实现功能的设备中，示波器能测试 很多关键性能参数，如信号定时关系、持续时间、时序、上升和下降时间、传播 延迟、振幅等。 数字存储示波器( d s o ) 是上世纪7 0 年代初发展起来的一种新型示波器。 它将捕获到的波形通过a d 转换数字化，而后存储下来，可以方便的实现对模拟 信号进行长期存储并利用机内微处理器对存储的信号作进一步的处理，这样就可 以获得所需的各种信号参数，从而对被测信号进行实时的，瞬时的分析，有助于 对被测对象的深入理解。 1 2 国内外研究状况 目前，国内外很多厂商都在从事数字存储示波器研究和开发。其中美国的三 家公司t e k t r o n i x ( 泰克) 公司、a g i l e n t ( 安捷伦) 公司和l e c r o y ( 力科) 公司在高性 能数字存储示波器技术上处于领先地位。l e c r o y ( 力科) 公司新推出的w a v e m a s t e r 数字示波器提供了高达3 0g h z 的带宽、8 0g s s 的采样率、5 1 2m 采样点分析功 能以及大于1 5g h z 的边沿触发功能，展现了数字存储示波器的最新研究成果。 国内数字存储示波器的研究因为起步晚，所以还处在比较低的水平。目前国 内生产的数字化示波器都属于中低档产品，带宽在3 0 0 m h z 以内，采样率在2 g s p s 以内，和国外的高端数字示波器还有很大差距。 在手持式示波器领域，行业龙头是美国的福禄克( f l u k e ) 公司，它的产品已经 形成了强大的品牌效力。但令人高兴的是，通过自主创新和技术合作，以及多年 电子科技大学硕士学位论文 的技术积累，一些国内的厂商已经开始介入手持数字示波表这一领域，并树立了 自己的手持式示波器品牌，在电子测试仪器市场上占有了一席之地。 在国内手持式示波器市场上销售量最大的产品是福禄克( f l u k e ) 公司f 1 2 0 系 列，分f 1 2 3 和f 1 2 4 两款，带宽分别为2 0 m h z 和4 0 m h z 。由此可以看出，目前 市场上需求量最大的还是2 0 m h z 左右带宽的产品。据市场调查，国内每年对这个 档次的手持示波器的需求量可达上万台。因此2 0 m h z 带宽、1 0 0 m s p s 采样率的手 持式示波器成为了国内示波器生产企业的研发重点。目前国内性能最高的手持式 示波器是厦门利利普科技有限公司研发生产的o w o n 系列手持数字示波器，其带 宽为6 0 m h z ，采样率达到了2 5 0 m s p s 。 1 3 系统主要性能指标及本论文设计任务 1 3 1 本设计的主要性能指标 根据国内外手持式示波器的发展现状，提出本项目的主要技术指标如下： ( 1 ) 模拟通道带宽：1 0 0 m h z ( 2 ) 最大实时采样速率：5 0 0 m s p s ( 3 ) 单通道最大存储深度：7 5 k b y t e ( 4 ) 垂直档位范围：5 m v d i v 一一5 0 v d i v ( 5 ) 时基范围：5 n s d i v - - 5 0 s d i v ( 6 ) 功耗：小于8 w ( 有背光) ( 7 ) 电池工作时间：大于4 h 1 3 2 本设计的主要任务 根据该项目的实际需求和项目组老师的安排，本人需要完成的设计任务如下： ( 1 ) 数据采集电路的设计。重点是完成5 0 0 m s p s 采样电路的设计并实现时 基、触发等功能。 ( 2 ) 电源模块的设计。电源模块的设计包括了d c d c 转换电路的设计、l c d 驱动电路的设计、电池充电管理电路的设计和电池电量检测功能的实现。 ( 3 ) 系统功耗的动态管理。这部分的主要任务是采用各种措施降低系统的功 耗以满足系统在功耗方面的要求。 2 第一章前言 后面章节将着重围绕这些内容进行展开论述。 3 电子科技大学硕士学位论文 2 1 系统原理框图 第二章系统总体结构 模拟信号线+控制信号线电源线- 卜数据线 图2 1 手持式示波器系统原理框图 本系统采用f p g a + d s p 的总体架构，充分利用f p g a 的逻辑可编程性和d s p 强大的数据处理能力，完成数据采集系统数字部分的主要功能。系统功能框图如 图2 1 所示。 2 2 系统总体结构介绍 本系统根据功能不同设计划分为数据采集系统、数据处理及存储系统、液晶 显示系统、键盘控制电路、万用表模块和电源模块。 4 第二章系统总体结构 2 2 1 数据采集系统 数据采集系统是本系统的重要组成部分，根据功能有可分为模拟通道电路、 数据采样电路和数字逻辑电路。模拟通道电路的设计包括：信号调理电路、触发 控制电路、脉冲展宽电路。在数据采集系统中，数据采集系统最终采集信号的质 量与模拟通道的性能直接相关，是数据采集系统的基础。数据采样电路确定了整 个采集系统的最高实时采样频率。数字逻辑电路的设计是数据采集系统的核心部 分，包括数据同步电路、数据缓存电路、时基时基电路、触发模块、模拟通道控 制模块等。数字逻辑电路采用x i l i n x 公司s p a r t a n 一3 a 系列的x c 3 s 2 0 0 a 实现， 该型号f p g a 内部有4 0 3 2 个逻辑单元，2 4 8 个可用i o 口，4 个d c m 资源，3 1 6 k b i t s 的r a m 资源，且具有性价比高，价格低廉的优点。 2 2 2 数据处理及存储系统 数据处理器系统选用a d i 公司的a d s p b f 5 3l ，利用其强大的控制和处理能 力，完成对采集系统的控制、对采集后数据的处理、运算功能，以及显示系统的 菜单、界面设计。a d s p b f 5 3 1 具有高达6 0 0m h z 高性能b l a c k f i n 处理器，2 个 1 6 位m a c ，2 个4 0 位a l u ，4 个8 位视频a l u ，以及1 个4 0 位移位器；编 程简单，编译环境友好，有先进的调试、跟踪和性能监视功能；具有高达1 4 8 k b y t e s 片内存储器：1 6 k b y t e s 指令s r a m c a c h e 、6 4 k b y t e s 指令s r a m 、3 2 k b y t e s 数 据s r a m c a c h e 、3 2 k b y t e s 数据s r a m 、4 i y t e s 存放中间结果的s r a m ：存储 器控制器可与s d r a m 、s r a m 、f l a s h 和r o m 无缝连接。 f l a s h 选用的是s 2 9 a l 0 1 6 m 9 0 t a l 0 2 ，其总容量是1 m 1 6 b i t ，用来存储d s p 的程序代码、字库等；利用a d s p 可与s d r a m 无缝连接的性能，选用一片s d r a m h y 5 7 v 2 8 1 6 保存d s p 处理后的数据，h y 5 7 v 2 8 1 6 可配置为8 m 1 6 b i t 。 2 2 3 液晶显示系统 液晶显示是本系统设计的一个特色，液晶显示器与常规c r t 显示器相比具有 低功耗、平板型结构、显示信息量大、易于彩色化、工作无电磁辐射以及长工作 寿命，我们选用无锡夏普l m 0 5 7 q c l t 0 1 r 真彩显示屏，其点阵是3 2 0 * 2 4 0 ，它具 有色彩鲜艳，对比度可调，分辨率高，低功耗等特点。由于示波器系统要求非常 5 电子科技大学硕士学位论文 高的实时性，因此不用专门的l c d 控制器，所需要的显示控制时序由f p g a 直接 产生，显示数据采用p p i 的方式直接送给l c d 显示。 2 2 4 键盘控制电路 键盘是示波器系统的组成部分之一，用于实现人机交互。用户通过键盘对示 波器各种功能进行控制和选择，执行信号采集，数据计算，数据存储，数据显示 等任务。 本设计中键盘采用单片机单独控制，进行按键查询处理获取唯一的键码，然 后存放在发送缓冲区发送。单片机的串行输出口和d s p 的u a r t 口相连，当u a r t 口检测到数据时会产生中断，d s p 在中断中读取键码。 2 2 5 万用表模块 数字万用表( d m m ) 是现代电子测量中使用最为广泛的测试仪器之一，是电子 测量的基本工具。数字万用表亦称数字多用表( d m m ) ，其主要特点是显示直观、 读数准确、准确度高、分辨力强、功能完善、性能稳定、过载能力强、耗电省、 体积小、易于携带。近年来，数字万用表迅速发展，无论是便携式，还是台式万 用表在精度、功能和性能上都有较大的提高。现在33 4 位便携式数字万用表和41 2 位便携式数字万用表已经成为主流；台式万用表的发展速度更快，已经有几家公 司推出单片集成方案，使台式万用表的性能更高、功能更强，价格更加合理。本 系统集成了一种数字万用表功能模块，增强示波器系统的测试功能。 2 2 6 电源模块 手持式示波器与台式示波器的最大区别就在于电源部分的不同。为了实现体 积小、重量轻、低功耗的特点，手持式设备一般都采用电池供电。这给示波器电 源模块的设计提出了新的内容。 根据本系统的需要，电源模块的设计包括以下内容： 1 、设计高效率的d c d c 转换。 2 、l c d 驱动电路的设计。 3 、电池的充电管理。 6 第二章系统总体结构 4 、电池的电量检测。 5 、系统电源的开关控制。 7 电子科技大学硕士学位论文 第三章数据采集系统的设计 数据采集系统是数字示波器的重要组成部分，只有完成对前端模拟信号高质 量的采样，才能确保整个数字示波器系统正确的工作。数据采集系统首先完成模 拟信号到数字信号的转换，然后把数据保存到缓冲区，等待后端d s p 的处理。为 了实现数字示波器的时基、触发等重要功能，还需设计数据采集系统的控制模块。 本章首先对数据采集系统的总体设计方案进行了论证，随后详细叙述了各个 功能模块的设计内容。 3 1 数据采集基本理论与方案选择 3 1 1 基本理论 3 1 1 1 采样定理 当人们最初探索将信号进行数字化的时候，研究工作就已揭示：为了很好的 恢复原来的信号，在进行信号数字化的时候就要求采样时钟的频率至少应为信号 本身所包含的最高频率的两倍，这个要求通常称为香农采样定理。 采样于输入 信号峰值处 重建的波形 采样于输 信号 的零点附近 图3 1 用两倍于信号频率的采样速率对正弦波进行采样 8 第三章数据采集系统的设计 然而，这项研究工作是针对通信应用领域而并非针对示波器为进行的。现在 来看图3 1 ，从图中看出，当使用两倍于信号频率的采样时钟时，信号频率确实可 以恢复。使用恰当的波形重建装置我们就可得到和原始的波形十分相象的波形。 现在我们设想在进行波形的数字化时仍然使用相同的采样时钟，但是将采样 点选在和原来略为不同的时刻，不定在信号的峰值点，这样一来，信号的幅度信 息就会严重失误，甚至可能完全丢失。事实上，如果采样点准确地取在信号的零 点附近( 见图3 1 ) ，那么由于所有的采样取到的值均在零值附近，我们将完全观 测不到信号。 示波器是用来研究信号的，为了很好的研究信号，不仅要求正确的表示信号 的频率而且还要求准确地表示信号波形的幅度。从图3 2 可以看出，如果每个周期 用三个采样点对信号进行采样，则再现的波形也会发生很大的失真。 对输 信号每周期 采样三个点 一j j 膏，z j j 汾彻j j 彻研一溉4 、o 飞澎。粼谢讨州m v 图3 2 以每周期约三个采样点进行采样的信号波形 对输入信号每周期采 样五个点 一鳓够河掰彬辫 图3 3 以每周期五个采样点进行采样的信号波形 根据经验，通常认为每周期最少要十个采样点才能给出足够的信号细节。在 9 电子科技大学硕士学位论文 有些情况下，对信号的细节要求低一些，这时每周期取五个样点可能就足以给出 有关信号的特性( 见图3 3 ) 。这样，对于一个最大采样率为2 0 0 m s p s 的示波器来 说，能够准确采集的最大信号频率为4 0 m h z 。在这种情况下，还可以使用特殊的 显示技术来提高信号波形的保真度。其方法是通过各个采样点画出最佳拟合的正 弦曲线，这种方法称为正弦内插【l 】。 3 1 1 2 并行采样技术 由采样定理可知，采样率的提高对提升示波器的性能至关重要。为了有效地 提高系统的采样率，示波器业界提出了一种并行采样技术。它的基本原理是采用 多个转换速率较低的a d 转换器并行采样，后端再将采样到的数据按照一定的顺 序合成起来。并行采样技术的具体实现方式有两种：一是用时钟控制多个a d c 按 一定的时间间隔轮流采样；另外一种是将被采集的模拟信号进行延时，将信号经 过不同延时后依次送往不同的a d c 进行并行采样。因为难以精确控制输入信号的 时延，后一种方式很少有人采用。下面详细介绍第一种方式。 图3 _ 4a d c 并行采样结构图 图3 4 是实现多个a d c 并行采样的结构示意图。由该图不难看出，实现多个 a d c 并行采样的关键是产生多个有一定相位差的时钟信号。在多相时钟的作用下， 各个a d c 轮流采样信号，并且它们的采样时间之间保持一个固定的时间差。假设 系统一共采用了n 个采样时钟频率为f 的a d c ，则需要产生a 个频率为f 的时钟 信号，并且它们的相位依次相差3 6 0 n 度。数据合并后就使整个采样系统的采样率 l o 第三章数据采集系统的设计 提高到n f o 比如采用两个采样率为2 5 m h z 的a d c 并行采样，采样时钟为两个相 位相差1 8 0 度2 5 m h z 时钟信号，数据合并后就把系统的采样率提高到5 0 m s p s 。 3 1 2 方案选择 本数字示波器系统的模拟带宽为1 0 0 m h z ，根据采样定理，为了获得较好的波 形显示效果，系统的采样率必须达到5 0 0 m s p s 。好的高速数据采集方案能为后续 的设计带来方便，也能为整个数字示波器的设计打下良好的基础。 结合目前市场上现有的通用型高速a d c 芯片情况，实现5 0 0 m s p s 采样电路 的方案主要有： 1 、采用单片高速a d c 芯片实现。该方案只有一个a d c 转换器，因此具有电 路结构简单的优点，也不会存在拼合时因时钟相移所带来的采样偏差等问题。但 是这种方案也有很多不足之处：首先是只有国外的厂商才能生产单个采样率达到 5 0 0 m s p s 的a d c ，因此一般价格都非常昂贵；而且这种情况下要求高频率的系统 采样时钟，这就给时钟电路设计以及高速p c b 设计带来很大的困难；另外，高采 样率的a d c 必然带来高速率的采样数据，这就给后续的数据存储和数据处理提出 很高的要求。因此，此方案并不实用。 2 、采用多片低速a d c 并行采样实现。例如，利用4 片采样率为1 2 5 m s p s 的 a d c 采样拼合实现5 0 0 m s p s 的采样率。这种方案采用的芯片价格都不高，整个系 统成本比较低廉，且采样时钟以及采集出来的数据速率都不高，设计与实现上都 相对比较简单。但是a d c 数量的增多带来了系统复杂性的增加，也给p c b 布局 布线带来一定的困难：同时多个时钟相移的不精确以及多片a d 转换器之间的延 时会给整个系统的性能带来影响；多路a d c 采集的数据也给信号的重组带来困难， 而且多路数据也会造成触发系统触发点难以准确寻找的困难。 综合上面两个方案，系统采用两个2 5 0 m s p s 采样率的a d c 转换核来实现 5 0 0 m s p s 的采样率。这就避免了过高的系统采样时钟以及太高的采集输出数据， 系统也不会显得过于复杂，设计与实现上也不会太困难。 确定了采用两片a d c 并行采样实现5 0 0 m s p s 采样电路的方案后，还需确定 数据采集系统其它电路的实现方案。本系统选用f p g a 来实现数据采集系统其它 电路，可充分利用f p g a 内部的r a m 资源实现采集数据的存储，并且利用f p g a 内部的逻辑单元能很方便的完成数据采集系统控制电路的设计。 电子科技大学硕士学位论文 3 2 采样电路的设计 采样电路的主要功能是完成模拟信号到数字信号的转换，这是整个数据采集 系统的核心部分，下面作详细的论述。 3 2 1 模拟数字变换器的选择 根据3 1 2 节中的方案论证，本数据采集系统采用2 片2 5 0 m s p s 的a d c 并行 采样以实现最高实时采样率为5 0 0 m s p s 的技术指标，而a d 9 4 8 1 的输出数据的多 路拼和为本系统设计提供了很好的方案，最高实时采样时采用单路模拟信号输入 经双路a d 转换器2 5 0 m s p s 并行采样，再通过后级的数据拼合电路完成对四路 1 2 5 m h z 数据流的拼合，从而达到单通道最高实时采样率5 0 0 m s p s ，同时7 5 0 m h z 模拟带宽完全满足本系统设计的1 0 0 m h z 带宽要求。综合考虑产品设计成本和系 统设计指标，本系统决定选用a n a l o gd e v i c e 公司的模拟数字转换器a d 9 4 8 l 。 图3 ，5 为a d 9 4 8 1 的原理框图。 n + i k d s + d s c u + c l - 一 v r e fs e n s ea g 牲dd r g 辩dd r v d da v b d s 1 图3 - 5a d 9 4 8 1 原理框图 d 7 b t o d 幢 d c o d c o - 模拟数字转换器a d 9 4 8 1 主要具有以下几个特点： 令两个八位模拟数字变换通道，单通道最高采样率2 5 0 m s p s 令模拟通道：7 5 0 m h z 模拟带宽 1 2 第三章数据采集系统的设计 夺输出数据有多路拼合模式 体积小，采用4 4 p i n _ t q f p 封装 夺模拟信号输入电压范围：1 v p p 每通道 模拟数字变换器a d 9 4 8 1 只需要单3 3 v 电源供电( 2 7 v - 3 6 v ) ，提供编码时 钟输入方式，在大多数应用领域，不需要外接参考电压或者是驱动器件。数字输 出和t t l c m o s 兼容，并且有独立的输出供电引脚，支持多数字逻辑电压( 2 5 v 或3 3 v ) 接口。 3 2 2 采样时钟的设计 系统设计要求最高实时采样率5 0 0 m s p s ，此时系统工作模式必须为单通道双路 a d 9 4 8 1 并行采样，两路a d 9 4 8 1 必须工作在最高采样率2 5 0m s p s ，然后拼合四路 1 2 5 m 数据流实现5 0 0 m s a s 的实时采样率。此时两路a d 9 4 8 1 输入时钟为2 5 0 m 时钟并且相位相差1 8 0 度，时钟信号质量的好坏对数据拼合结果起绝对的作用。 x i l i n x 公司的f p g a 中的数字时钟处理单元( d c m ) 为时钟信号的处理提 供了很好的方案。该数字时钟处理单元( d c m ) 不仅能对时钟信号进行分频和倍 频，还能进行时钟信号的移相。 图3 - 6f p g a 中d c m 时钟电路 在本设计中，利用数字时钟处理单元( d c m ) 产生两路相位相差1 8 0 度的 2 5 0 m h z 的采样时钟。如图3 - 6 所示，c l ki n 是由5 0 m h z 晶振输入的时钟信号， 2 5 0 m h z 、2 5 0 m h z _ _ p 是输出的频率为2 5 0 m h z ，相位相差1 8 0 度的采样时钟。 3 2 3a d 转换输出数据流同步电路设计 模拟数字变换器a d 9 4 8 1 正常工作时输出两路数据流p o r t a 和p o r tb ，同 1 3 电子科技大学硕士学位论文 时输出数据同步时钟d c o + 和d c o ，此时a d 9 4 8 1 每相输出数据速率只有采样率 的一半，这样即使a d c 转换器工作在最高2 5 0 m 采样率时数据最大输出速率只有 1 2 5 m ，降低了对f p g a 器件的要求，也便于后续的数据同步处理。 k t p d - t l 敝 一t e r m l _ 一t t 国一 图3 7a d 9 4 8 1 工作时序图 a d 9 4 8 1 工作于数据拼和方式时，其两个数据输出通道时序如图3 7 所示， p o r t a 的数据对应数据同步时钟d c o 一，p o r tb 的数据对应数据同步时钟d c o + 。 为了确定数据拼和后的先后顺序，必须先将a d c 输出数据与同步时钟d c o + 或者 d c o 同步。 由于a d c 输出数据的同步时钟与后级缓存电路的读写时钟不是同一个时钟， 因此a d c 的输出数据相对缓存电路来说属于异步输入数据。而对异步输入数据进 行同步的方法有两种。一种是用本级时钟对输入数据做两次寄存器采样，另一种 是采用异步f i f o 缓存的方法。用寄存器对异步时钟域的数据进行两次采样，其作 用是有效防止亚稳态( 数据状态不稳定) 的传播，使后级电路处理的数据都是有效电 平。但是这种做法并不能保证两级寄存器采样后的数据是正确的电平，这种方式 处理一般都会产生一定数量的错误电平数据。所以仅仅适用于对少量错误不敏感 的功能单元。为了避免异步时钟域产生错误的采样电平，本设计中采用异步f i f o 缓存的方法完成异步时钟域的数据转换。具体方法是在输入端口使用上级时钟写 数据，在输出端口使用本级时钟读数据，这样就非常方便的完成了异步时钟域之 1 4 第三章数据采集系统的设计 间的数据交换。图3 - 8 是两个a d c 并行采样产生的4 路输出经过同步电路后的时 序图。 d a t a l t ”、“ ，r 、“= 、“t ”。其 原理是在