基于CPLD的模數(shù)轉(zhuǎn)換組合研究

       A/D轉(zhuǎn)換組合是雷達目標諸元數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、傳輸?shù)暮诵牟考?，一旦出現(xiàn)故障，目標信號將無法傳送到信息處理中心進行處理，從而導致雷達主要功能失效。某設備的A/D轉(zhuǎn)換設備結(jié)構(gòu)復雜，可靠性差，可維修性差，故障率高，因此，采用CPLD技術(shù)和器件研究A/D轉(zhuǎn)換組合，改善該設備的總體性能。

2 A/D轉(zhuǎn)換組合工作原理剖析   

       A/D轉(zhuǎn)換組合作為武器系統(tǒng)的核心部件，接口特性和功能與武器系統(tǒng)的兼容，是新A/D轉(zhuǎn)換組合研制成功的前提，因此，必須對引進A/D轉(zhuǎn)換組合進行詳細的分析研究，提取接口特性及其參數(shù)，分析組合功能和性能指標。

2.1 組合工作原理及端口信號說明   

       原A/D轉(zhuǎn)換組合由五個裝置組成，這五個裝置形成兩個完全相同且互相獨立的通道。每個通道包括一個預處理裝置、一個模數(shù)轉(zhuǎn)換和微調(diào)自檢裝置，如圖1所示：    A/D轉(zhuǎn)換組合與武器系統(tǒng)其它部分的電路連接端口有6個：端口1為電源端口，X2、X4為相互正交的輸入模擬信號，X5、X6為輸入脈沖信號，X3為輸出數(shù)字信號。

       輸入模擬信號X2和X4進入預處理裝置，形成便于A/D轉(zhuǎn)換的信號。此信號進入模數(shù)轉(zhuǎn)換和微調(diào)自檢裝置，得到輸出數(shù)字信號X3。每個通道將輸入模擬信號數(shù)字化，在端口X3形成8個數(shù)據(jù)位和1個符號位，符號位與輸入模擬信號極性相對應。X3同時實現(xiàn)對兩個通通及整個組合的工作自檢。    為保證組合的正常工作，須向同步裝置輸入脈沖信號X5和X6。X6稱為“計數(shù)脈沖”，用作A/D轉(zhuǎn)換的時鐘。X5稱為“自動微調(diào)脈沖”，用于A/D轉(zhuǎn)換精度的微調(diào)和工作狀態(tài)的自檢。同步裝置根據(jù)X5和X6形成若干脈沖，這些脈沖分成完全相同的兩組同時送給兩個通道。

2.2結(jié)構(gòu)組成分析   

       (1)同步裝置   

        同步裝置由三個子模塊組成,形成一個閉環(huán),如圖2所示。

       模塊1的輸入為X5、X6和來自模塊3的四個脈沖T1、T2、T3、T4，雖然X5、X6都輸入模塊1，但是只有X6與此閉環(huán)有關，它們在模塊1內(nèi)經(jīng)過一系列邏輯單元處理，輸出為一系列脈沖，包括詢問脈沖X（X=1，2，3，4）、寄存器詢問脈沖、選擇脈沖、輸出自動微調(diào)脈沖和其它脈沖。模塊2的輸入R是矩形波信號，輸出S類似于三角波。模塊3的主體是四個電位器和四個電壓比較器。四個電位器經(jīng)過精心調(diào)節(jié)在滑動端形成四個等間隔的基準電壓。四個電壓比較器將S和這些基準電壓分別進行比較，得到四個TTL電平脈沖信號T1、T2、T3、T4。T1、T2、T3、T4和S、R、X6時序關系如圖3所示。

       輸出脈沖與X6的時序關系如圖4所示。

       (2)預處理裝置   

        預處理裝置包括模擬多路開關電路、求模電路、取符號電路和存儲電路，其組成如圖5所示。

       X2（或X4）是雙極性信號，在被模擬多路開關電路選通后，通過求模電路變?yōu)檎龢O性信號，此正極性信號進入存儲電路進行跟蹤/保持。另外，模擬多路開關電路的輸出信號還進入取符號電路，得到符號位。   

        (3)模數(shù)轉(zhuǎn)換和微調(diào)自檢裝置   

        該裝置包括模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、自動微調(diào)電路和自檢電路，其中模數(shù)轉(zhuǎn)換電路又由四個模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊組成，如圖6所示。

        圖6 模數(shù)轉(zhuǎn)換和微調(diào)自檢裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

       SH進入模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊1，在其內(nèi)部被電阻網(wǎng)絡分壓，分壓結(jié)果與內(nèi)部基準電壓進行比較，比較結(jié)果被編碼，得到模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果的最高兩位D7D6；設數(shù)字輸出D7×27+D6×26對應的模擬信號幅度為U1，在模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊1內(nèi)部，將SH和U1相減，輸出RM1=SH-U1，RM1進入模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊2，按同樣的方式得到D5D4；模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊3、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊4也完全類似，分別輸出D3D2（第3位和第2位）和D1D0（第1位和第0位）。這樣就得到了模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果的8個數(shù)據(jù)位。

3 A/D轉(zhuǎn)換組合設計實現(xiàn)   

       新A/D轉(zhuǎn)換組合的幾何尺寸應與引進A/D轉(zhuǎn)換組合吻合，輸入輸出接口特性應與引進A/D轉(zhuǎn)換組合完全一致。鑒于原A/D轉(zhuǎn)換組合采用分立元件和低集成度芯片設計，導致電路復雜，故障率高的缺點，本文采用高集成度的CPLD芯片設計國產(chǎn)A/D轉(zhuǎn)換組合。

 3.1總體功能設計   

       新A/D轉(zhuǎn)換組合總體設計框圖如圖7所示，當X5（自動微調(diào)脈沖）為低電平時，地址形成邏輯形成的地址信號使模擬多路開關選通來自前端接收系統(tǒng)的模擬輸入信號X2（或X4）。X2（或X4）經(jīng)過模擬多路開關送入模數(shù)轉(zhuǎn)換電路進行轉(zhuǎn)換。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路輸出的數(shù)字信號經(jīng)數(shù)據(jù)處理邏輯變換后，得到與原模數(shù)轉(zhuǎn)換組合碼制相同的10位輸出信號，即8位數(shù)據(jù)位、1位符號位和1位奇校驗位。這10位信號經(jīng)寄存器鎖存后，通過驅(qū)動電路送至后端計算系統(tǒng)。   

點擊看原圖

        當X5為高電平時，地址形成邏輯形成的地址信號使模擬多路開關選通標準電壓電路提供的一個標準電壓。標準電壓進入模數(shù)轉(zhuǎn)換電路形成數(shù)字量，基準自動微調(diào)邏輯根據(jù)此數(shù)字量調(diào)整單極性數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的輸入數(shù)字量，零點自動微調(diào)邏輯根據(jù)此數(shù)字量調(diào)整雙極性數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的輸入數(shù)字量。單極性數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的輸出模擬量為模數(shù)轉(zhuǎn)換組合的基準電壓，雙極性數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的輸出模擬量為模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的負模擬輸入端電壓。這樣就實現(xiàn)了通道1（或通道2）模數(shù)轉(zhuǎn)換精度的自動微調(diào)。   

       自檢檢測邏輯從寄存器取出對標準電壓進行模數(shù)轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字量，并與預存儲值比較，根據(jù)比較的結(jié)果確定通道1（或2）是否正常工作，并形成相應的指示信號送入驅(qū)動電路。驅(qū)動電路根據(jù)通道1自我檢測邏輯輸出的指示信號和通道2自我檢測邏輯輸出的指示信號形成“通道1正?！毙盘?、“通道2正?！毙盘柡汀稗D(zhuǎn)換組合正?！毙盘枺⑺徒o后端計算系統(tǒng)。

       X5（自動微調(diào)脈沖）和X6（計數(shù)脈沖）分別通過二選一開關進入緩沖及延遲電路，形成一組脈沖信號送入時序邏輯。時序邏輯根據(jù)此組脈沖信號形成系統(tǒng)正常工作所需的多種脈沖信號。數(shù)據(jù)處理邏輯、寄存器、地址形成邏輯、基準自動微調(diào)邏輯、零點自動微調(diào)邏輯、自我檢測邏輯、時序邏輯都在Xilinx公司的大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷C95108內(nèi)實現(xiàn)（圖7中每個虛線框代表一片XC95108）。通道1和通道2分別使用一片XC95108。   

       調(diào)試脈沖形成電路輸出X5A和X6A信號。在國產(chǎn)化模數(shù)轉(zhuǎn)換組合脫離戰(zhàn)車系統(tǒng)進行維修時，通過二選一開關選通X5A信號和X6A信號以替代前端輸入的X5和X6，從而方便了該組合的維修。

3.2模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的設計   

       模數(shù)轉(zhuǎn)換電路是整個國產(chǎn)化A/D轉(zhuǎn)換組合的核心電路，需要精心設計。 
首先是A/D轉(zhuǎn)換芯片的選擇，根據(jù)引進A/D轉(zhuǎn)換組合的工作原理，A/D轉(zhuǎn)換芯片需要滿足如下4點要求：   

（1）雙極性輸入；   

（2）分辨率≥9位；   

（3）最大采樣速率≥1.5MSPS；   

（4）無流水延時，且模數(shù)轉(zhuǎn)換在大約200ns內(nèi)完成。   

       根據(jù)上述要求，同時考慮價格及功耗等因素，選擇逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換芯片LTC1412。LTC1412引腳說明見有關技術(shù)資料。其典型用法如圖8所示。

        電路設計中，LTC1412采用雙端輸入方式，即， 端輸入模擬多路開關送來的模擬信號， 端輸入雙極性數(shù)模轉(zhuǎn)換電路送來的微調(diào)信號。 接數(shù)字地，從而使LTC1412始終處于選通狀態(tài)。LTC1412的基準電壓可由外部調(diào)節(jié)，變化范圍在1.25V和3V之間，此處使用外部基準，基準電壓由單極性數(shù)模轉(zhuǎn)換電路提供。 端由緩沖及延遲電路送來的采樣時鐘驅(qū)動。   

       原A/D轉(zhuǎn)換組合對X2（或X4）的采樣時刻相對于X6上升沿滯后約10ns，新設計A/D轉(zhuǎn)換組合也與此保持一致。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路在輸入時鐘信號的下降沿采樣，而此輸入時鐘信號的下降沿相對于X6上升沿正好滯后約10ns。   

       LTC1412的所有正電源端均連接到+5V模擬電源，所有地端均連接到模擬地平面。雖然LTC1412的分辨率為12位，但產(chǎn)品說明給出的評估板只是兩層板，因此在設計PCB版圖時也只使用兩層板。在PCB版圖上全部使用表貼電容進行濾波和去藕，可以在抑制噪聲方面起到重要作用。

4結(jié)束語   

       本文采用CPLD器件設計了新的A/D轉(zhuǎn)換組合，替代了原組合，同時提高了可靠性，改善了轉(zhuǎn)換位數(shù)、功耗等技術(shù)指標，已經(jīng)定型并投入生產(chǎn)。

參考文獻

[1] 沈蘭蓀編著.高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的原理與應用[M]. 北京：人民郵電出版社，1995.
[2] 常青等.可編程專用集成電路及其應用與設計實踐[M]，國防科技大學出版社，1998.
[3] 中國集成電路大全－TTL集成電路[M]．北京：國防工業(yè)出版社，1996.