高速实时大容量数据采集系统的设计与实现.pdf

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1、天津理工大学硕士学位论文高速实时大容量数据采集系统的设计与实现姓名：孙虹申请学位级别：硕士专业：信号与信息处理指导教师：何宏20081201摘要随着信息技术的发展，通讯、雷达等领域对高速、大容量数据实时采集提出了更高的要求。在实际测试领域应用中，有一些数据采集过程要求有长时间、大批量的数据吞吐能力，要求数据能够实时采集并存储。与传统的数据采集系统相比，本设计实现的高速大容量数据采集系统，不需要C P U 指令控制，而是基于F P G A 的全硬件操作，因此可以连续不问断地高速实时地采集、存储一定容量的数据，而不受总线带宽和其它应用程序运行的影响，具有高可靠性。本论文的主要研究工作如下：1 对发

2、展高速数据采集系统的必要性和重大意义进行了研究，分析了国内外高速数据采集系统研究现状，针对本系统的性能指标和数据跨时钟域传输、S D R A M 控制时序复杂等设计难点，提出了F P G A 控制系统时序的设计方案。2 分析了D P R A M 和S D R A M 的工作原理。由于本设计要求较高的时钟频率及丰富的逻辑资源，选用了X i l i n x 公司的V i r t e x-4 系列F P G A 芯片。设计了F P G A 控制实现D P R A M 缓存、F P G A 和D S P 分时控制S D R A M 读写的硬件结构，满足了大容量高速连续数据流不问断存储的要求。3 根据系

3、统设计方案，利用带通采样定理计算采样频率；设计了S D R A M 控制器的状态转移过程；采用V H D L 语言和原理图结合的混合设计输入法，实现了S D R A M 控制器，两个D P R A M 及其控制器，以及与D S P 之间的接口的模块设计，给出了主要模块的V H D L 代码、逻辑原理图及M o d e l s i m 仿真波形图。4 本课题通过对高速实时大容量数据采集系统的设计，解决了数据采集过程要求有长时间、大批量的数据吞吐能力，要求数据能够实时采集实时存盘等问题。通过D S P测试S D R A M 中存储的数据，实验证明数据正确。本设计成功地实现了利用F P G A 高速

4、实时地采集大容量数据。关键词：S D R A M 控制器F P G AV H D L高速实时大容量数据采集A b s t r a c tW i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y,c o m m u n i c a t i o n s，r a d a ra n do t h e rf i e l d sp l a c eh i g h e rd e m a n do nh i g h s p e e d，h i g h c a p a c i t ya n dr e a l t i m

5、 ed a t aa c q u i s i t i o n I nt h ea c t u a lt e s ta p p l i c a t i o n，t h e r ea r ean u m b e ro fd a t aa c q u i s i t i o np r o c e s sr e q u i r e sal o n gt i m e，1 1 i g h v o l u m ed a t ah a n d l i n gc a p a c i t y,r e q u i r i n gr e a l-t i m ed a t ac o l l e c t i o na n

6、 ds a v e C o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a ld a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m t h i sh i g h s p e e da n dm a s s i v ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e md o e s n tn e e dt h ec o n t r o lo fC P Uc o m m a n d，b u to p e r a t e sb yf u l lh a r d w a r eb a s e do nF P G A T h

7、 e r e f o r e，i th a sh i g hr e l i a b i l i t yb e c a u s et h a ti tC a nh i g h s p e e da n dr e a l t i m ea c q u i s ea n ds a v es o m ed a t ac o n t i n u o u s l ya n du n i n t e r r u p t e d l y,b u tn o tb ei n f l u e n c e db yb u sb a n d w i d t ha n do t h e ra p p l i c a t

8、i o n sr u n n i n g T h em a i nr e s e a r c h e so ft h i st h e s i sa r ea sf o l l o w s：1 S t u d yt h en e c e s s i t ya n dt h em a j o rs i g n i f i c a n c eo fh i g h-s p e e dd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m，a n da n a l y z et h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lh

9、i g h s p e e dd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mr e s e a r c h A c c o r d i n gt ot h e t h ed i f f c u l t yi np e r f o r m a n c ei n d i c a t o r s，c r o s s c l o c kd o m a i nd a t at r a n s m i s s i o n，a n dc o m p l e xt i m i n gc o n t r o lo fS D R A M，p u tf o r w a r dt h

10、ed e s i g nt h a tF P G Ac o n t r o lt h et i m i n go fs y s t e m 2 A n a l y z et h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fD P R A Ma n dS D R A M A st h ed e s i g nr e q u i r eh i g h e rc l o c kf r e q u e n c yo fa n dt h el o g i co fr i c hr e s o u r c e s，X i l i n x SV i r t e x-4f a m i

11、l yo fF P G Ac h i pi sc h o i c e d D e s i g nt h eh a r d w a r es t r u c t u r et h a tF P G Ac o n t r o lD P R A Mc a c h ea n dF P G Aa n dD S Pt i m es h a r i n gr e a da n dw r i t eS D R A Mt om e e tt h er e q u i r e m e n t so fh i g h-s p e e dc o n t i n u o u su n i n t e r r u p t

12、 e df l o wd a t as t o r a g e 3 A c c o r d i n gt ot h es y s t e md e s i g n，c a l c u l a t es a m p l i n gf r e q u e n c yb yb a n d-p a s ss a m p l i n gt h e o r e m；d e s i g nt h es t a t et r a n s f e rp r o c e s so ft h eS D R A Mc o n t r o l l e r；V H D Ll a n g u a g ei su s e d

13、t oa c h i e v eaS D RAMc o n t r o l l e r,t w oD P R A M sa n dt h e i rc o n t r o l l e r s，a sw e l la st h em o d u l a rd e s i g no ft h ei n t e r f a c eb e t w e e nF P G Aa n dD S E A n dV H D Lc o d e s，l o g i c a ls c h e m a t i c sa n dM o d e l s i mw a v es i m u l a t i o no ft h

14、 em a i nm o d u l e sa r eg i v e n 4 T h i si s s u ef u l f i l l st h er e q u i r e m e n t sf o ral o n gt i m e，h i g h-v o l u m ed a t ah a n d l i n gc a p a c i t ya n dr e a l-t i m ed a t ac o l l e c t i o na n dr e a l t i m es a v ed u r i n gt h ed a t ac o l l e c t i o np r o c e

15、s sb yt h ed e s i g n T h ed a t aa r ep r o v e dc o r r e c tb yt h eD S Pt e s t i n go fS D R A Mm e m o r yd a t a T h ed e s i g nr e a l i z e sh i g h-s p e e da n dr e a l t i m ea n dm a s s i v ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mb yF P G As u c c e s s f u l l y K e yw o r d s：S D R

16、 A Mc o n t r o l l e r,F P G A，V H D L，H i g h-s p e e dr e a l t i m em a s s，D a t aA c q u i s i t i o n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和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津理工大学或其他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。学位论文作者签名：硝机签字日期：似叩年_ 月弘日学位论文版权使用授权书本

17、学位论文作者完全了解墨盗墨墨盘堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权墨生墨兰太堂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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编，以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和电子文件。(保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名：飙、舨导师签名：影药签字日期：枷固年月切日签字日期：伽刁年。月幻日第一章绪论1 1 课题的背景及意义第一章绪论数据采集(D a t aA c q u i s i t i o n)是获取信息的基本手段，数据采集技术作为信息科学的一个重要分支，与传感器、信号测量与处理、微型计算机等技术为基础而形成

18、的-f-j综合应用技术，它研究数据的采集、存储、处理及控制等作业，具有很强的实用性。随着科学技术的发展，数据采集系统得到了越来越广泛的应用，同时人们对数据采集系统的各项技术指标，如：采样率、分辨率、线性度、精度、输入范围、控制方法以及抗干扰能力等提出了越来越高的要求，特别是精度和采样率更是使用者和设计者所共同关注的重要问题，于是，高速及超高速数据采集系统应运而生并且得到了快速发展。今天，数据采集技术己经在雷达、通信、水声、遥感、地质勘探、振动工程、无损监测、语音处理、智能仪器、工业自动控制以及生物医学工程等众多领域得到广泛的应用并且收到了良好的效果I。随着信息量不断的增大和人们对信息需求量的增

19、加，对信息采集和处理系统提出了更高的要求，像对卫星数据的采集、高速大图像的采集、虚拟仪器的数据采集、煤矿瓦斯浓度的采集、雷达信号的采集对采集和处理系统的速度以及存储器的容量较目前的系统有大幅度的提高。在实际测试领域应用中，有一些数据采集过程要求有长时间、大批量的数据吞吐能力，要求数据能够实时采集并存储。与传统的数据采集系统相比，本设计实现的高速实时大容量数据采集系统，不需要C P U 指令控制，而是基于F P G A 的全硬件操作，因此可以连续不问断地高速实时地采集、存储一段数据，而不受总线带宽和其它应用程序运行的影响，具有高可靠性。随着计算机的广泛应用和电子学的高速发展，数字系统已被广泛地应

20、用于国民经济、国防建设和科学试验的各个领域。和模拟系统相比，数字系统有精度高、稳定性好等一系列优点，但是数字系统只能处理离散的数字信号。外部世界的各种各样信息经过传感器转换以后，除了极小部分为数字信号和开关信号之外，绝大部分以电压或电流等模拟量的形式存在，所以往往需要将这些模拟信号转化为便于处理和存储的数字信号。这部分工作就需要数据采集系统来完成。所谓数据采集就是将模拟信号转化为数字信号，并进一步予以处理、显示、存储和记录的过程。实现数据集采的系统称为数据采集系统(D A T A A C Q U I S I T I O NS Y S T E M)。数据采集系统简化框图如图1 1 所示。数据采集

21、系统追求的最主要目标有两个：一是精度，二是速度。对任何量的测试都要有一定的精确度要求，否则将失去测试的意义，提高数据采集的速度不仅仅提高了工作效率，更主要的是扩大数据采集系统的适用范围，便于实现动态测试。现代数据采集系统具有如下特点：1 现代数据采集系统一般都由计算机控制，使得数据采集的质量和效率等大为提高，也节省了硬件资源。第一章绪论2 软件在数据采集系统的作用越来越大，这增加了系统设计的灵活性。3 数据采集与数据处理相互结合的日益紧密，形成数据采集与处理系统，可实现从数据采集、处理到控制的全部工作。4 数据采集过程一般都具有“实时”特性，实时的标准是能满足实际需要；对于通用数据采集系统一般

22、希望有尽可能高的速度，以满足更多的应用环境。5 随着微电子技术的发展，电路集成度的提高，数据采集系统的体积越来越小，可靠性越来越高，甚至出现了单片数据采集系统。6 总线在数据采集系统中有着广泛的应用，总线技术对数据采集系统结构的发展起着重要作用。模图1 1 数据采集系统简化框图为了适应高速数据采集的需要，迫切需要高速数据采集系统的出现。在测试数字有线电视信号时，频谱分析仪的数据采集系统需要高速实时地采集并存储一定容量的数据，以供计算分析其星座图。因此，基于频谱分析仪的测试要求，本文研究实现了频谱分析仪中的基于F P G A 的高速实时大容量数据采集系统。此系统用F P G A 控制整个采集系统

23、的时序、双口R A M(D P R A M)作缓存、S D R A M 做大容量存储器，既实现了高速数据实时采集存盘要求，又达到了体积小、重量轻、便携带、低功耗的采集系统设备设计要求。该课题研究，目的在于研发一套性价比高、功能强、功耗低、方便易用等特点的新一代高速数据采集系统。因此，本课题研究有十分重要的实用价值。同时，也为以后研究和设计超高速数据采集系统奠定了坚实的基础 7-8 。1 2 国内外高速数据采集系统研究现状随着科学技术的发展和人类对外部世界认识的不断深入，人们对数据采集系统的各项指标，如速率、分辨率、精度、输入电压范围、控制方式及抗干扰能力等方面提出来越高的要求。一些现代电子系统

24、，如星载合成孔径雷达、战略相控雷达、高分辨率遥感图像，都面临高速、大容量数据流的运算与处理问题。作战管理指挥、控制、通信系统第一章绪论的信号处理速率要求达到1 0 亿次秒量级，在雷达制导方面，高速高精度的大量获取目标数据，并进行实时信号处理，对运动目标的检测和识别也是非常重要的。显然，高速、大容量的数据流，以及对信号处理实时性的要求已成为现代电子系统的一个重要特点。同时，人类对外部世界的了解也要求更细微、更精确。这些都使的传统的低速采集系统显得力不从心。在许多应用场合，人们都需要设计和应用高速数据采集系统，以在极短的时间内获取大量数据。于是，速度，即数据采集系统传输的速率，作为评价高速数据采集

25、系统的一项重要指标，也越来越受到重视。今天高速数据采集系统己在雷达、通信、水声遥测、遥感、地震勘测、振动工程、无损检测、智能仪器、科学试验等各个方面有广泛的用途。目前随着信息技术的日益创新，数据采集系统在国内外的发展也非常迅速。在国外高速的数据采集系统己经应用在航天，航空及军事领域中，速率己经达到了几百兆波特率以上，且在民用领域中也开始应用，但速率较低，一般为一百兆波特率以下。在国内，高速数据采集卡的开发和研制工作也己不再处于起步阶段，很多研究机构和科技公司也正在开发越来越高速的系统，但总体说来相比国外水平还有差距，由于历史、技术等原因，我们的产品普遍存在通用性差、用途单一、环境适应性差等缺点

26、，远没有形成模块化、标准化的通用产品，根本无法满足国内用户不断增长的需要，也远远不能与国外产品抗衡，使得价格高昂的国外产品占有了相当大的市场份额。因此，设计高速实时大容量数据采集系统对提高国民生产和促进生产力发展具有重要的意义。国内外发表的高速数据采集系统相关文献中，很少有对F P G A 控制实现D P R A M 缓存，F P G A 和D S P 分时控制S D R A M 读写的设计方案进行深入研究。且多采用I P 核的方法控制S D R A M 的复杂时序，虽然设计简单，但造价高，使用不灵活。本论文详细地论述了上述设计方案，且未使用I P 核，而是使用V H D L 语言自行开发S

27、D R A M 控制器模块。因此，本论文具有一定的社会价值和参考意义。1 3 论文研究的主要内容1 3 1 系统的性能指标对于任何系统来说，数据采集系统起到关键作用，直接影响后面的各个子系统。对此系统的具体性能要求如下：1 所要采集的信号是中心频率为3 6 M H z、带宽为8 M H z 的中频带通信号，A D C 的采样频率为2 8 8 M H z。2 对所采集的数据要高速、实时的采集，做到不丢失、无误码。3 能够存储大容量的数据，以备后续的D S P 读取及处理。4 D S P 的读取数据的速率为5 0 M H z。由次可见，本设计对采集系统的传输速率和存储器容量要求都很高。同时，系统还

28、要具备处理和消除毛刺问题。第一章绪论1 3 2 系统设计难点1 数据传输速率高，要求严格地控制时序关系。2 由于A D C 和S D R A M、D S P 的工作频率不一致，整个系统有两个时钟域，需要利用D P R A M 缓存解决跨时钟域的问题，消除亚稳态。3 S D R A M 的容量大，符合本系统的大容量存储的要求，但是时序控制复杂。4 S D R A M 控制器，两个D P R A M 及其控制器，与D S P 之间的接口和各个模块之间的握手信号等都集成在F P G A 芯片中，使F P G A 逻辑设计比较复杂，芯片的布局布线比较困难，且容易出现毛刺。1 3 3 系统设计方案本设计

29、的系统框图如图1 2 所示。本系统主要由A D C，F P G A 芯片，D S P 芯片及S D R A M 组成。F P G A 芯片中集成了S D R A M 控制器，两个D P R A M 及其控制器，F P G A与D S P、A D C 之间的接口以及各个模块之间的握手信号等。图l-2 系统框图本设计由F P G A 控制系统时序，以双口R A M(D P R A M)作为缓存、S D R A M 作为大容量存储器，应用乒乓控制原理和同步时序原则，实现采样数据的传输和存储。系统中，中心频率为3 6 M H z、带宽为8 M H z 的中频信号经预处理后，进入采样频率为2 8 8 M

30、 H z 的A D 转换器，经过模数转换后变为数字信号，再接入F P G A 芯片中。利用F P G A 自带的I P 核生成双口R A M(D P R A M)缓冲器。数据经过缓存后接入6 4 M b i t s容量的S D R A M 存储器，待S D R A M 存满后，向D S P 发出信号，D S P 接收到信号后以5 0 M H z 的速率读取S D R A M 中存储的数据，用来进行分析处理。1 3 4 本文的主要研究工作在本次毕业设计及撰写论文的过程中，通过利用X I L I N X 公司的F P G A 芯片X C 4 V L X 2 5 和采用I S S I 公司的S D

31、R A M 芯片I S 4 2 S 1 6 4 0 0 A 实现了高速实时大容量数据采第一章绪论集系统。一个性能设计良好的数据采集系统需要具备可靠性高、集成度好和易移植性等优点。基于F P G A 的高速实时大容量数据采集系统很好的满足了这些要求，主要包括两个D P R A M 及其控制器组成的缓存器、S D R A M 控制器以及和D S P 的接口三个部分。可编程逻辑器件是电子设计领域中最具活力和发展前途的一项技术，它的影响丝毫不亚于7 0 年代单片机的发明和使用。可编程逻辑器件以其灵活的现场可编程特性，较高的功能集成度和较快的速度成为研制和设计数字系统的最理想选择。目前，可编程逻辑器件己

32、在国内外的计算机硬件、工业控制、智能仪器、数字电路系统、家用电器等各个领域得到广泛的应用。从简单的接口电路设计到复杂的状态机，甚至“片上系统(S O C，S y s t e mO nC h i p)，可编程逻辑器件所扮演的角色已经不容忽视。它的可编程特性带来了电路设计的灵活性，缩短了产品的上市时间(t i m et om a r k e t)。本论文的主要研究工作如下：1 对发展高速数据采集系统的必要性和重大意义进行了研究，分析了国内外高速数据采集系统研究现状，针对本系统的性能指标和数据跨时钟域传输、S D R A M 控制时序复杂等设计难点，提出了F P G A 控制系统时序的设计方案。2

33、利用带通采样定理计算采样频率，并分析了D P R A M 和S D R A M 的工作原理。由于本设计要求较高的时钟频率及丰富的逻辑资源，选用了X i l i n x 公司的V i r t e x-4 系列F P G A芯片。设计了F P G A 控制实现D P R A M 缓存、F P G A 和D S P 分时控制S D R A M 的硬件结构，满足了高速连续数据流不间断存储的要求。3 根据系统设计方案，设计了S D R A M 控制器的状态转移过程；用V H D L 语言实现了S D R A M 控制器，两个D P R A M 及其控制器，以及与D S P 之间的接口的模块设计，给出了主

34、要模块的V H D L 代码、逻辑原理图及M o d e l s i m 仿真波形图。利用D S P 对S D R A M 中存储的数据进行了测试，实验证明采集的数据正确。论文的工作重点集中在F P G A 控制部分的代码编写与调试，并在F P G A 芯片上完成各个硬件模块的设计与实现，因此对这部分内容本文将着重介绍。第二章系统的硬件结构第二章系统的硬件结构2 1 系统硬件结构总体框图+高速大容量数据采集系统的总体框图如图2 一l 所示，A D C 提供给F P G A 采样数据和输出的时钟。S D R A M 的数据，地址和控制信号采用三态总线，F P G A 和D S P 通过T R A

35、 N C E I V E R 分时使用S D R A M 总线，F P G A 控制T R A N C E I V E R 的O E 使能信号和D I R 方向控制信号。2 2A D 转换器图2 1 采集系统硬件框图A D 转换器是将模拟电压或电流转换成数字量的器件或装置，是模拟输入通道的核心部件。A D 转换方法有逐次逼近式、双积分式、和二进制斜坡式、量化反馈式等。常用的逐次逼近式入勺转换器有8 位分辨率的A D C 0 8 0 1、A D C 0 8 0 9 等，1 2 位分辨率的A D 5 7 4 A 等；常用的双积分式A D 转换器有3 位半(相当于二进制l 位分辨率)的M C l 4

36、 3 3，4 位半(相当于二进制1 4 位分辨率)的I C L 7 1 3 5 等。1 A D 转换器的主要指标第二章系统的硬件结构A)D 转换器的主要技术指标有转换时间、分辨率、线性误差、量程、对基准电源的要求等，应根据这些指标选用A D 转换器。转换时间指完成一次模拟量到数字量转换所需要的时间。分辨率表示A D 转换器对模拟信号的反应能力，分辨率越高，表示对输入模拟信号的反应越灵敏。分辨率通常用数字量的位数a(字长)来表示，如8 位、1 2位、1 6 位、2 4 位等。分辨率为1 2 位表示A D 转换器可以对满量程的1(2 1 2 1)=1 4 0 9 5的增量作出反应。量程即所能转换的

37、电压范围，如一V 一+5 V，0 V 一1 5 V 等。精度有绝对精度和相对精度两种表示方法。绝对精度常用数字量的位数表示，如精度为最低位的1 2 位，即1 2 L S B。绝对精度可以转换成电压表示。相对精度用满量程的百分数表示即U(2 n 1)X1 0 0。精度与分辨率的区别：精度是转换后所得结果相对于实际值的准确度，而分辨率指的是能对转换结果发生影响的最小输入量。即使分辨率很高，也可能由于温度漂移、线性度差等原因使A D 不具有很高的精度。A D 转换器的输出逻辑电平多数为T T L 电平，有并行和串行两种输出形式。在考虑数字量输出与计算机或控制器连接时，应注意是否用三态逻辑输出，是否需

38、要对数据锁存等。工作温度范围：由于温度会对运算放大器和电阻网络产生影响，故只有在一定范围内才能保证额定的精度指标。较好的A D 工作温度范围为_ 4 0 0 C 一8 5 0 C，差些的工作温度范围为O。C 一7 0 0 C。根据实际使用情况进行选用。对基准电源的要求：基准电源的精度将对整个A D 转换结果的输出精度产生影响，所以选择习D 时根据实际情况考虑是否需要加精密电源。本系统根据现场信号的特性选用的A D 转换器是1 2 位的A D 9 2 2 4。2 A D 转换器叫T C l 7 4 4 简介L T C l 7 4 4 是美国L i n e a rT e c h 公司生产的种1 4

39、 位、5 0 M S P S 高性能模数转换器，适用于高端通讯、成像和仪器仪表等应用领域，如可用于基站收发器和宽带软件无线电通讯等设备中。它用于数字化高频率，宽动态范围的信号。该数字接口兼容5 V，3 V 和2 V 的逻辑系统。输入E N C 和E N C 分别由P E C L，G T L 和其它低摆幅逻辑系列或是单端T T L，C M O S 驱动。低噪声，高增益的E N C 和E N C 输入也可以由正弦信号驱动而不降低性能。一个单独的输出电源能工作在0 5 V 到5 V，使其可以直接连接任何低电压D S P s和F I F O s。L T C l 7 4 4 是一种高性能的1 4 位A

40、D C，其内部结构如图2 2 所示。第二章系统的硬件结构图2-2L T C l 7 4 4 内部结构框图L T C l 7 4 4 的模拟输入范围非常灵活，可以是D C 或A C 藕合的单端或差分输入。L T C l 7 4 4 采用四级流水线式结构，并由一个宽频输入采样保持放大器来实现高效经济的C M O S 流程。它的最后一级只包含一个闪烁式A D，而其它三级都包含有连接到比较放大器M D A C 的低分辨率闪烁式A D。因而可用残余放大器把重构的D A C 输出和闪烁式A D 之间的差别放大以用于流水线的下一级，每一级中冗余的一位用于错误的数字纠正。流水线式结构在同样的流水线延迟与等待时

41、间条件下可以有更大的通过率，也就是说当转换器在每个时钟周期之中能扑捉一个新的采样输入时，转换的全部完成和数据输出实际上花费了三个时钟周期。将数据溢出标志位(O F)及数字输出锁入输出缓冲器可用来驱动输出管脚。L T C l 7 4 4 各引脚功能说明如表2 1 所示：第二章系统的硬件结构表2 1L T C l 7 4 4 引脚功能说明引脚名称功能引脚名称功能lS E N S E参考选择1 5B E F H BA D C 高电平参考B2V C M2 5 V 输出输入共模偏差2 2M S B n、J VM S B 反转控制4A I N+正差分模拟输入2 3E N C编码输入5A I N 负差分模拟

42、输入2 4E N C编码互补输入7、8、1 7V D D5 V 电源2 5O E输出使能1 8、2 0V D D5 V 电源2 6C L K O U T数据有效输出1 0R E F L BA D C 低电平参考B2 7、3 8、4 7O G N D输出驱动地1 1R E F H AA D C 高电平参考A2 8 3 lD 0 一D 3数字输出1 4R E F L AA D C 低电平参考A3 3 3 5D 4 D 6数字输出3、6、9G N DA D C 电源地3 9 4 2D 7 D 1 0数字输出1 2、1 3、1 6G N DA D C 电源地4 4 4 6D 1 1 D 1 3数字输出

43、1 9、2 1、3 6G N DA D C 电源地3 2、4 3O V D D输出驱动的正供电3 7G N DA D C 电源地4 8O F溢出输出转化特性如表2 2 所示。表示应用于整个工作温度范围，否则表示应用于T A 2 2 5。C。表2-2 转化特性参数条件最小典型最大单位分辨率(无丢码)1 4B i t S积分线性误差414L S B差分线性误差10 51 5L S B偏移误差2 052 0m V增益误差313F S满量程温度系数I o L r r 眦F)2 04 0p p m o CL T C l 7 4 4 芯片的采样时序如图2 3 所示，A D 对模拟输入的采样是在时钟输入的上

44、升沿进行的。A D C 输出数据D A T A 的同时也输出时钟C L K O U T，数据与时钟有一定的相位关系。在C L K O U T 的上升沿正好可以采样D A T A，这一时序关系保持到F P G A 逻辑中，保证了逻辑的时序稳定。第二章系统的硬件结构A I j i L 0 31 烈玎弱I。莲8 了e 拔0 坍淀沁VV VU钮一一吁一q厂、，一厂一lj麓一卜_：t-I -。过銎琴嚣；秦)聋鐾嚣芝三篓：X。3 旷&T，A，,：k。-。3。)乜。、Il每，r辫 H】【勰 3 T 0 0 战3 1：蜊0c l K。l 嚣。】图2-3L T C l 7 4 4 采样时序图L T C l 7

45、4 4 的输入可以是单端或差分方式。信号经过由P G A 的M C P 6 S 2 8 和并联电容组成的电路后送入L T C l 7 4 4 V I N A 端口，C 1 和C 2 由O 1 口F 的陶瓷电容和1 0 p F 的T钽电容并联，电容和电阻共同组成了一个高通滤波器。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，该电容网的作用有三个：其一是与内部参考放大器A 2 一起在大频率范围下提供一个低阻抗源以驱动A D 内部电路。其二是提供A 2 需要的补偿。其三是限制由参考电源产生的噪声干扰。2 3D P R A M 存储器D P P,A M(X X

46、 口R A M)存储器是系统的缓冲环节，如果没有D P 删存储器，整个系统就不可能正常工作，它主要有几方面的功能：1 对连续的数据流进行缓存，防止在传输和存储操作时丢失数据。2 数据集中起来进行存储，可避免频繁的总线操作，减轻C P U 的负担。D P R A M 是一种比较特殊的R A M 存储器，它具有两套完全相同的独立的地址、数据和控制信号。这些信号允许两套系统同时访问存储器的数据，即在两套系统间形成了公用存储区，两套系统可以通过这个共用存储区进行数据交换。由于对存储器操作的快速性，利用双口R A M 进行数据交换成为一种高效的普遍的数据交换方式，在高速数据采集等很多场合有其广泛的应用。

47、两套系统同时对存储器进行访问时，就存在着同时对存储器读写的冲突问题，即双方不能同时对同一存储器地址第二章系统的硬件结构进行写或读。设计中采用的是“乒乓型 存储方式，这种方式就是采用两片存储器，数据首先进入其中一片，当数据满时再让数据进入第二片存储器，同时通过逻辑控制，将第一片存储器中的数据取走，以此类推，两片轮流对数据进行缓存。本系统中选用的D P R A M 是由I S E 的I PG E N E R A T E R 生成的，可以设置存储深度。D P R A M 有两套相互独立的读写端口和时钟。2 4S D R A M 结构2 4 1S D R A M 原理S D R A M(S y n c

48、 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)是高速C M O S，同步动态随机存储器。同步是指时钟频率与C P U 前端总线的系统时钟频率相同，并且内部的命令的发送与数据的传输都以它为基准；动态是指存储阵列需要不断的刷新来保证数据不丢失；随机是指数据不是按线形依次存储，而是自由指定地址进行数据的读写。S D R A M 的读写操作可以设置为突发传输，即在一个特定的位置开始读写，然后在固定的队列开始固定数目的读写。读写操作由A C T I V E 命令触发，然后是R E A D W R I T E命令。和A C T I

49、 V E 命令同步被触发的地址位，用来选择页地址(b a n k)和行地址(r o w)，B A 0、B A l 代表页地址，A 0-A 1 2 代表行地址。与R E A D W R I T E 命令同步被触发的地址位，用来选择突发传输起始的列地址。S D R A M 提供可编程的R E A D W R I T E 突发长度l、2、4、8 或者全页(f u l lp a g e)，全页操作必须被突发终止操作终止。自动预充电功能可以在突发队列结束的时候开始进行行预充电。S D A R M 通过内部流水线(p i p el i n e)架构达到高速操作，这种架构允许列地址在每个时钟周期都变化，获取

50、高速、完全随机的存取：三个页(b a n k)进行读写操作时，另外一个页进行预充电操作，可以完成无缝的、高速的、随机的存取。它在3 3 V 存储体系统下操作，可以提供自动刷新模式和低功耗模式。所有的输入输出都是L V T T L 兼容的，含有自动列地址发生器，在内部页(b a n k)之间跳转可以隐藏预充电时间，突发存取时，每个时钟周期都可以随机改变列地址。第二章系统的硬件结构图2 4 为D R A M 的存储原理示意图：行选与列选信号将存储电容与外界间的传输电路导通，从而可进行放电(读取)与充电(写入)。另外，途中刷新放大器的设计并不固定，目前这二功能被并入独处放大器(S e n s e A