5Gsps高速数据采集系统的设计与实现.pdf

第20卷第1期电子设计工程Vol.20No.1Electronic Design Engineering2012年1月Jan. 20125 Gsps 高速数据采集系统的设计与实现吴琼之， 蔡春霞， 丁一辰， 廖春兰（北京理工大学信息与电子学院 ， 北京100081）摘要 ： 以某高速实时频谱仪为应用背景，论述了5 Gsps采样率的高速数据采集系统的构成和设计要点，着重分析了采集系统的关键部分高速ADC（analog to digital，模数转换器 ）的设计 、系统采样时钟设计 、模数混合信号完整性设计、电磁兼容性设计和基于总线和接口标准（PCI Express）的数据传输和处理软件设计。 在实现了系统硬件的基础上，采用Xilinx公司ISE软件的在线逻辑分析仪（ChipScope Pro）测试了ADC和采样时钟的性能 ，实测表明整体指标达到设计要求 。 给出上位机对采集数据进行处理的结果，表明系统实现了数据的实时采集存储功能。关键词 ： 高速数据采集 ； 高速ADC；FPGA；PCI Express中图分类号 ：TN79文献标识码 ：A文章编号：16746236（2012）01-0154-04Design and implementation of 5Gsps high-speed data acquisition systemWU Qiong-zhi，CAI Chun-xia，DING Yi-chen，LIAO Chun-lan（School of Information and Electronics，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China）Abstract: Based on a high-speed real-time spectrum analyzer as application back-ground，the sampling rate for 5 G spshigh-speed data acquisition system structure and key points of design is discussed，and particularly the key part of theacquisition system high-speed ADC（analog to digital）design，sampling clock system design，modulus mixed signal integritydesign，EMC design and data transmission and processing software design basing on the PCI Express is analyzed. Based on thesystem hardware realization，used ISE ChipScope Pro to test the ADC and the sampling clock performance，the practiceproved the overall targets meet the design requirements. Given the upper computer data processing results，showing the systemachieved the real-time data storage function.Key words: high-speed signal acquisition；high-speed ADC；FPGA；PCI Express高速实时频谱仪是对实时采集的数据进行频谱分析，要达到这 样的目的 ，对数据采 集系统的 采样精度 、采样率和存储量等指标提出了更高的要求。 而在高速数据采集系统中，系统的原理框图 。 所用ADC型号为EV8AQ160，8 bit采样精度，内部集成4路ADC，最高采样率达5 Gsps，可以工作在多种模式下2。 通过对ADC工作模式进行配置，ADC既可以工作在采样率为5 Gsps的单通道模式 ，也可以工作在采样率为ADC在很大程度上决定了系统的整体性能，而它们的性能又受到时钟质量的影响1。 为满足系统对高速ADC采样精度 、采样率 的要求，本设计中提 出一种新 的解决方 案，采用型号为EV8AQ160的高速ADC对数据进行采样；考虑到ADC对高质量、 低抖动、 低相位噪声的采样时钟的要求， 采用2.5 Gsps的双通道模式 。模拟输入信号经过BALUN型高频变压器完成单端信号到差分信号的转换，ADC对差分信号进行采样， 然后把数据送入FPGA，FPGA将接收到的数据进行预处理后存储到第三代双倍速率同步动态随机存储器（DDR3）中，需要对采 集的数据 进行后续处理时，将数据从DDR3中取出 ，并通过PCI Express传送给上位机 ，上位机对数 据进行处理后显示 。 整个硬件系统仅采用一片FPGA来处理 ，并作为主控芯片对整个系统进行通信和控制，大大提高了系统的运行速度 。 本设计采用Xilinx公司Virtex-6系列FPGA，型号为XC6VLX240T-1156C3。AD9520为5 Gsps数据采集系统提供采样时钟。 为保证系统的稳定 性， 对模数 混合信号 完整性和 电磁兼容 性进行了分析。 对ADC和时钟性能进行测试，并给出上位机数据显示结果，实测表明该 系统实现 了数据的 高速采集 、存储和实 时后处理。1系统的构成高速 数据采 集系统主 要包括模拟信号调理电路、 高速22.1系统的设计与实现高速ADC设计及其完整性分析高速ADC芯片EV8AQ160在片内集成了4路独立的ADC、高速时钟电路 、大容量数据缓存、系统时序及控制逻辑电路和计算机接口电路等。图1所示为5 Gsps高速数据采集收稿日期 ：2011-11-03稿件编号 ：201111022ADC，每个通道具有1.25 Gsps的采样率 ，可以工作在3种模作者简介 ：吴琼之 （1977），男，浙江海宁人 ，博士，讲师。 研究方向 ：高性能电路技术和信号处理技术。154图1系统原理框图Fig. 1System block diagram式下，最高采样率可达5 Gsps。要求2.5 GHz差分对称时钟输入，可进行ADC主复位 。EV8AQ160内部集成了1:1和1:2的数据 多路分离 器（DMUX）和LVDS输出缓冲器，可以降低输出数据率 ，方便与多种类型的高速FPGA直接相连，实现高速率的数据存储和处理。 为了补偿由于器件参数离散和传输路径差异所造成的采样数据误差， 该ADC具有针对每路大，或者尽可能 地减少相 邻传输线 间的累积 平行距离 ，以减小串扰 。 时钟输入信号作为模拟信号处理，远离任何模拟输入和数字信号 。3） 所有高速信号和时钟信号尽量走在内层。在获得相同目标 特征阻抗 的情况下 ，应该将布 线层与参 考平面（地平面与电 源层）间的 介质层尽 可能的薄 ，这样就加 大了传输线与参考平面间的耦合度，减少相邻传输线间的耦合。ADC数据的积分 非线性（INL）、增益（Gain）、偏置（Offset）、相位（Phase）的控制和校正 。EV8AQ160提供测试功能 ，具有两种测试方式 ， 方便用户根据自己的习惯对ADC是否正常工作进行测试 。在本设计中，ADC工作在单通道 模式下 ，DMUX1:2输出，输出 数据宽度 为64位，数据 输出率为625 Msps，输出数据的同时输 出312.5 MHz同步采样时钟，FPGA在该时钟的上升沿和下降沿采集数据。由于探测器 、 信号源等输出的信号通常为单端信号，而2.2采样时钟电路设计及其完整性分析时钟信号的质量是决定采样系统性能的关键因素，也是高速数据采集系统的一个难点。 反映时钟质量的指标主要有两个 ：相位噪声和相位抖动。 在高速 、高分辨率的ADC电路中，采样时钟 的抖动必 然造成时 基采样点 的偏离，从而导致系统整体性能的下降， 主要表现在对ADC采集数据信噪比和有效位数的影响上5。采样时钟完整意义上的抖动应包含时钟源孔径抖动、时钟驱动器件的孔径抖动以及ADC自身的孔径抖动 。ADC自身的孔径抖动是一个常数，通常会在器件手册中作为一项重要指标给出 ，时钟驱动器件引入的时钟的孔径可以通过其器件手册和相位噪声倍频公式获得，时钟源抖动则与时钟稳定性和相位噪声参数有关。如果ADC时钟总的孔径抖动的概率分布均值为0，方差为2（=tj，tj为ADC孔径时间 ）时，系统信噪比与孔径抖动关系可以表示为 ：ADC的模拟输入端为差分形式， 在其前端加入BALUN型高频变压器，不仅实现了 单端输入 到差分输 入的转换 ，还起到了隔离 、抑制外部噪声引入等功能。高速ADC的8路输出均属于高速数字信号， 而其输入信号为模拟信号 ，因此在进行电路设计时，要考虑ADC的布局、模拟信号走线 、数据信号走线以及其采样时钟走线，还有时钟布局和FPGA的接口等 ，确保所涉及的系统完全满足信号完整性的规范要求，如振铃 、反射、串扰和电磁干扰等4。本设计使用Mentor Graphics的PADS软件对高速模数信号PCB板进行设计 ，根据上面提出的信号完整性和电磁兼容问题 ，并结合本设计的实际情况，主要进行如下设计 ：SNR=10 lg32222+3（2 ）2nn2（1）其中n为ADC转换位数 ，为ADC转换频率 。如果系统采样频率为5 GHz，转换位数为8位，希望得到的有效位数需要大于6位，则通过信噪比与有效位数关系式：1） 合理布局 ： 采用具有独立的地平面和电源层的多层电路板 ，并按照电路功能 ，对器件进行分块布局，模拟电路采用平面技术和网状屏蔽技术5。SNR=6.02ENOB+1.76 dB（2）2） 合理的信号走线：ADC的模拟输入信号走线旁边不能有别的走线 ；其输出的数据信号和时钟信号尽可能远离时钟电 路模块，为保证采样 时钟信号 与数据信 号同步，走线时让它们都经历相同的延迟， 此外还能保证其时序的一致性，从而消除了走线延时对后端数据接收的影响。 在布线条件允许范围内 ，输出的同一路数据信号线按照最短路径布线原则在同一电路层上走线，差分对与差分对之间的距离要尽量拉可得系统信噪比要大于37.88 dB，从而可以算出时钟抖动需要小于7.82 ps。 采样频率越高 ，则时钟抖动需要的值就会越小 。本设计中 ，高速ADC芯片工作在单通道模式下，为满足EV8AQ160对高质量采样时钟的要求，这里采用低抖动 、低相位噪声锁相环时钟芯片AD9520提供2.5 GHz采样时钟6。AD9520片内VCO可从2.27 GHz调节到2.65 GHz，还支持外电子设计工程 2012年第1期部3.3 V或5 V供 电 ， 频 率 高 达2.4 GHz的VCO/VCXO。AD9520支持SPI和I2C接口 ， 片内集成 一片EEPROM可通过串行接 口编程以 及保存用 于上电复 位的用户 定义存储器的 设 置 。 有4组 共12个LVPECL时 钟 输 出 ， 任 何 一 个LVPECL输出在时钟频率不大于250 MHz时均可重新定义为2个CMOS输出 ， 并且在上电时可自动同步所有的输出。AD9520的时钟抖动低至十数量级fs， 最高为百数量级fs，可以满足本系统对采样时钟的要求。为了减小时钟相位的抖动和采样时钟偏移，在时钟电路的PCB设计上还采用阻抗匹配的微带线和对称等长走线，防止高速时钟信号反射，提高时钟的信号质量。 时钟信号的驱动电路采用差分PECL电路 ，PECL器件的电平 转换 速度快，输出信号抖动小 ，可以减小ADC时钟的孔径抖动 。2.3高速ADC与FPGA接口设计ADC输出8路8 bit 625 Msps低电压差分信号 （LVDS）逻辑的数据 ，在采集系统设计中对与其接口器件的性能要求也较高 。Xilinx公司Virtex-6系列型号为XC6VLX240T-1156C的FPGA具有高达200个专用LVDS差分逻辑接 收通道，双数据率（DDR）LVDS通道发送数 据速率高 达1.25 Gbps，接收数据速率也高达1.0 Gbps，能够满足接收EV8AQ160输出数据和逻辑控制的要求。由于ADC的输出和FPGA的输入均设计 为LVDS逻 辑 标 准 ， 因 此ADC可 直 接 与FPGA相 连 。Virtex-6系列FPGA内部具有专门的LVDS处理单元 ， 可实现LVDS逻辑的串/并降速转换 ，降低速率后的数据给到内部分布式处理算法（DPA）单元进行精确处理后存储到内部的存储单元或者外部存储器件DDR3中。 当需要对数据进行进一步处理时 ，通过PCI Express将有效的采集 、存储数据发 送到上位机 ，经过软件编程实现采集信号的波形显示。2.4上位机软件设计高速数据传输的上位机部分是以PC机为平台进行的软件设计 。 整个软件架构如图2所示 ，主要由用户应用程序和驱动程序两部分组成。图2软件架构Fig. 2Software architecture上位机系统通过PCI Express接口，控制板卡上的FPGA，并使上位机能够读取到FPGA以DMA方式连续上传的数据，实现上位机内存和FPGA之间数据的高速传输。 该软件的驱动部分设计 ，依靠WinDriver的API函数和已有的PCI Express硬件设备驱动函数 ，完成对硬件设备的基本控制，为以后软件的进一步升级奠定良好的基础。 而用户应用部分 ， 主要是在Visual Studio环境中完成 ， 通过调用可靠的设备驱动函数，成功地通过PCI Express接口与FPGA进行数据通信 。2.5测试结果1）ADC与时钟性能测试这里采用Xilinx公司ISE软件中的ChipScope Pro工具将逻辑分析器 、 总线分析器和虚拟I/O小型软件核直接插入到设计当中 ，直接查看ADC输出的数字信号，这些信号在操作系统速度下或接近操作系统速度下被采集，并从编程接口中引出 ，再将采集到的信号通过ChipScope Pro逻辑分析器进行分析 。首先 让ADC工作在 采样率为5 Gsps的单通道模式下，用特定的测试模式来检验ADC与FPGA之间的数据 接口的准确性 。 将测试程序下 载到FPGA并运 行后， 用ChipScopePro抓取ADC的输出数据如图3（a）所示。 然后在单通道模式下不使用测试模式， 输入2 MHz的正弦信号 ， 用ChipScopePro抓取ADC的输出数据如图3（b）所示。图3用ChipScope Pro抓取ADC的输出数据Fig. 3Output data of ADC using ChipScope Pro to get从图3（a）中的数据可以看出 ，各个通道均以约定的格式输出 ，说明ADC与FPGA之间数据接口已经准确连通。 图3（b），输入正弦信号时用BUS PLOT工具将抓取到的数据实时画图 ，得到的波形平滑 ，计算其信噪比为42.9 dB，由式 （2）计算得到ADC的有效位数为6.6 bit。实测表明 ，AD9520输出的2.5 GHz时钟以及EV8AQ160均具有较高的性能， 整体指标达到设计要求 。2） 上位机数据结果显示用户应用窗口程序的设计是在Visual Studio 2008环境下进行的 ， 内部通过调用WinDriver提供的API函数及已编写的驱动函数 ，可以打开 、查看、配置和关闭该PCI Express硬吴琼之，等5 Gsps高速数据采集系统的设计与实现型机与应用 ，2011，30（2）: 85-88.件设备 。 将系统配置为5 Gsps采样率的工作模式 ，用TeeChart画出 实时采集 到的波形 ，如图4所示 ，表明系统 实现了数据的实时采集存储功能。HU Zhi-hong，LIAO Ni-huan. Research of high-speed ADCclock jitter and its effectsJ.Microcomputer & its Applications，2011，30（2）:85-88.2 English E2V Corporation. EV8AQ160 QUAD ADC DataSheet EB/OL. 2011-11-03http:/ Xilinx Corporation.Virtex-6 series FPGA Data Sheets EB/OL.2011-11-03http:/.4 Johnson H，Granham M. High-speed digital design a handbookof black magicM.沈立 ，朱来文 ，陈宏伟 ，等译.北京 ：电子工业出版社 ，2004.5陈宁 ，费元春.高速数据采集系统中的孔径抖动J.北京理工大学学报 ，2003，23（2）:234-237.CHEN Ning，FEI Yuan-chun. Aperture jitter of high-speeddata acquisition systemJ. Transactions of Beijing Institute of图4上位机采集信号的波形显示Technology，2003，23（2）:234-237.6张焱 ，余海龙，罗进川.超高 速数据采集系统设计与实现J.安徽大学学报 ：自然科学版 ，2006，30（4）:44-47.ZHANGYan，YUHai-long，LUOJin-chuan.Designandimple-mentation of ultra high- speed data acquisition systemJ. Journal of Anhui University：Natural Science Edition，2006，30（4）:44-47.7 Devices A.12LVPECL/24 CMOS Output Clock Generator withIntegrated 2.5 GHz VCO AD9520 -1 Data Sheet EB/OL.2011 -11 -03. http:/ -files/data_sheets/AD9520-1.pdf.Fig. 4Waveform display of acquisition signal on the upper computer3结束语采用FPGA作为数据采集系统的控制核心， 使用FPGA内部资源或者外部DDR3实现数据的缓冲存储，充分利用系统资源 ，便于调试和修改 。 实现了5 G sps实时采样率 、8 bits采样精度的高速实时数据采集系统。 在完成电路的软件和硬件设计以后 ， 通过对ADC和时钟进行测试以及上位机控制界面采 集信号的 波形显示 ， 结果表明 该系统可 以稳定地工作，满足设计要求 。参考文献 ：1胡智宏 ，廖旎焕.高速ADC时钟抖动及 其影响的 研究J.微!（上接第150页）现的研究J.南京航空航天大学学报 ，2004，36（5）: 628-632NIE Xin，Li Yuan-xiang，WANG Feng. Implementation of aFPGA based Genetic AlgorithmJ. Computer & DigitalEngineering，2009，37（8）:9-11.9周明 ，孙树栋.遗传算法原理及应用M.北京:国防 工业出版社，1999.FANG Lei，ZHANG Huan-chun，ZHU Li-li. Research ofrealization the parallel genetic algorithm based on FPGAJ.Journal of Nanjing University of Aeronautics，2004，36（5）:628-6328聂鑫，李元香 ，王峰.基于FPGA的遗传算法实现J.计算机与数字工程 ，2009，37（8）:9-11.10Higuchi T，LIU Yong，YAO Xin. 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