基于TLC5510的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 TLC5510簡介

TLC5510是美國德州儀器(TI)公司的8位半閃速架構(gòu)A/D轉(zhuǎn)換器，采用CMOS工藝，大大減少比較器數(shù)。TLC5510最大可提供20 Ms／s的采樣率，可廣泛應(yīng)用于高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字TV、醫(yī)學(xué)圖像、視頻會議以及QAM解調(diào)器等領(lǐng)域。TLC5510的工作電源為5 V，功耗為100 mW(典型值)。內(nèi)置采樣保持電路，可簡化外圍電路設(shè)計(jì)。TLC5510具有高阻抗并行接口和內(nèi)部基準(zhǔn)電阻，模擬輸入范圍為0．6 V～2．6 V。1．1 引腳功能描述TLC5510采用24引腳的貼片封裝，其引腳配置如圖1所示。各引腳功能描述如下：AGND：模擬信號地；ANGLOG IN：模擬信號輸入端；CLK：時(shí)鐘輸入端；DGND：數(shù)字信號地；D1～D8：數(shù)據(jù)輸出端。D1為數(shù)據(jù)低位，D8為數(shù)據(jù)高位；OE：輸出使能端。OE為低電平時(shí)數(shù)據(jù)端有效，否則數(shù)據(jù)端為高阻態(tài)；VDDA：模擬電路工作電壓；VDDD：數(shù)字電路工作電壓；REFTS：內(nèi)部參考電壓。當(dāng)內(nèi)部分壓器輸出額定2 V基準(zhǔn)電壓時(shí)，該端短路至REFT；REFT：參考電壓(T代表Top為2．6 V)；REFB：參考電壓(B代表Bottom為0．6 V)；REFBS：參考電壓。當(dāng)內(nèi)部分壓器產(chǎn)生2 V的額定基準(zhǔn)電壓時(shí),該端短路至REFB。1．2 典型應(yīng)用電路TLC5510的基準(zhǔn)電源有多種接法，根據(jù)不同場合選擇適當(dāng)基準(zhǔn)電源，利用內(nèi)部基準(zhǔn)源，TLC5510典型應(yīng)用電路如圖2所示。由于其測量范圍為0．6 V～2．6 V(即：TLC5510在轉(zhuǎn)換時(shí)模擬輸入0．6 V時(shí)對應(yīng)數(shù)字輸出00 000 000，2．6 V對應(yīng)的數(shù)字輸出11111 111)，因此輸入信號在進(jìn)入TLC5510之前要對其處理，要使該輸入信號處于量程內(nèi)，應(yīng)加入一個(gè)1．6 V的直流分量?！? 基于TLC5510的數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)
2．1 兩級采樣TLC5510雖采樣率高，但受干擾嚴(yán)重?；谏鲜鎏攸c(diǎn)，將TLC5510運(yùn)用于寬頻數(shù)字示波器的數(shù)據(jù)采集。為了提高抗干擾能力，專門設(shè)計(jì)一個(gè)有源晶振模塊為TLC5510提供采樣時(shí)鐘，但導(dǎo)致采樣率不可調(diào)。為了解決這個(gè)問題，采用兩級采樣。第一級采樣為控制A／D轉(zhuǎn)換器對外圍的電信號高速采樣，并將其采樣保存到FPGA內(nèi)部寄存器，該級采樣率恒定不變，并由硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)；第二級采樣為軟件采樣，即由FPGA采樣控制模塊從寄存器中提取第一級采集結(jié)果，該級采樣率是可調(diào)的。2．2 等效采樣根據(jù)奈奎斯特定律，采樣頻率高于信號頻率的兩倍就可恢復(fù)原波形。當(dāng)采樣頻率等于或小于信號頻率可采用等效采樣，在不同周期獲取不同相位的幅值，根據(jù)相位將幅值連續(xù)排列即可復(fù)原波形。采用內(nèi)觸發(fā)采樣，即由被測信號的某相位點(diǎn)位為觸發(fā)，然后存儲。其實(shí)現(xiàn)過程：每一個(gè)完整的采樣需采集256個(gè)點(diǎn)，每一個(gè)采樣點(diǎn)都是由相同電平觸發(fā)，觸發(fā)后啟動FPGA內(nèi)部的計(jì)數(shù)器，對高頻脈沖記數(shù)，脈沖數(shù)不同，代表相位也不相同。經(jīng)過256個(gè)周期，就可采集256個(gè)不同的相位點(diǎn)。3 基于FPGA的等效采樣
3．1 實(shí)現(xiàn)方案該系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用延遲法來實(shí)現(xiàn)等效采樣。如圖3所示，設(shè)輸入信號f(t)的周期為T(頻率為f)，若將f(t)的一個(gè)周期T以△t等分，在時(shí)間t1進(jìn)行第一次取樣，為了采集到下一個(gè)相位點(diǎn)，在時(shí)間t2進(jìn)行第二次采樣，t1～t2可相隔多個(gè)信號周期。假設(shè)m個(gè)，則相鄰兩個(gè)采樣脈沖的時(shí)間間隔為(mT+△t)。如此類推，以下3個(gè)采樣點(diǎn)則分別在t3，t4，t5時(shí)刻采樣。在每個(gè)觸發(fā)位置延時(shí)N△t(N=0，1，2，3…)后存儲采樣，即可合成一個(gè)完整波形。這種方法控制方便，通過FPGA完成整個(gè)觸發(fā)、延時(shí)、采樣和存儲功能，但對觸發(fā)電路和延時(shí)電路要求很高?！?．2 硬件電路設(shè)計(jì)
3．2．1 整形觸發(fā)電路由于每一次采樣都要由某一事件觸發(fā)，所以該系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用內(nèi)觸發(fā)，即觸發(fā)源為被采樣信號，并由硬件觸發(fā)電路實(shí)現(xiàn)。該電路可把各種波形的周期信號整形為與原信號周期相同的方波信號。由于采用等效采樣技術(shù)，其被測信號頻率較高。假設(shè)被采樣信號的最高頻率約為10 MHz，則整形器件選用Maxim公司的電壓比較器MAX912。當(dāng)輸入信號電壓高于預(yù)置的觸發(fā)電平時(shí)，輸出高電平；反之輸出低電平。圖4所示為整形觸發(fā)電路。　3．2．2 采樣保持電路每次采樣是比觸發(fā)時(shí)刻延遲N△t的數(shù)據(jù)點(diǎn)，但由于被采樣信號頻率很高，要準(zhǔn)確采樣到該點(diǎn)基本無法實(shí)現(xiàn)。為此需要引入采樣保持電路。采樣保持電路的功能：在采樣時(shí)刻到來之前，該模塊的輸出電壓隨輸入電壓變化。當(dāng)?shù)竭_(dá)采樣時(shí)刻時(shí)，輸出電壓保持不變。以供TLC5510采樣。其具體電路如圖5所示?！≡摬蓸颖３蛛娐酚蓛善\(yùn)算放大器A1，A2和模擬開關(guān)A3構(gòu)成，采樣時(shí)通過FPGA控制時(shí)鐘使A3的通道S1導(dǎo)通。A1，A2為單位增益的電壓跟隨器，故Uo=Uc=Uo，此時(shí)電容充電至Uc。因電壓跟隨器的輸出電阻很小，故電容快速充電。斷開S1，由于Uc無放電通路，其電壓基本不變，故Uo保持不變，即保存采樣結(jié)果。3．3 軟件編程控制等效采樣的軟件控制實(shí)際上是指對采樣時(shí)刻的控制和對外同采樣保持電路時(shí)序的控制，該控制可以在FPGA內(nèi)部編程實(shí)現(xiàn)，對應(yīng)的實(shí)現(xiàn)模塊如圖6所示，主要由兩部分組成。其一為數(shù)字鎖相環(huán)(PLL)，用于產(chǎn)生頻率足夠高的脈沖信號。由于采樣率與△t有關(guān)，因此將原來FPGA自帶的40 MHz時(shí)鐘信號送入數(shù)字鎖相環(huán)使之5倍頻，進(jìn)而提高至200 MHz。其二為控制模塊，采用同步開啟異步復(fù)位的編程思想。它有兩個(gè)時(shí)鐘輸入端：clkce2是被測信號經(jīng)整形電路后的脈沖信號，該信號為同步信號，也為觸發(fā)源。每次采樣都由該信號觸發(fā)開始計(jì)數(shù)；clk＿200是數(shù)字鎖相環(huán)產(chǎn)生的高頻采樣脈沖，計(jì)數(shù)開始后內(nèi)部計(jì)數(shù)器對clk＿200計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)到m后(即m△t時(shí)間)，計(jì)數(shù)完畢，馬上控制采樣保持電路進(jìn)入保持狀態(tài)，然后在經(jīng)過若干個(gè)clk＿200時(shí)鐘周期后(為了使信號完全進(jìn)入保持狀態(tài)電平達(dá)到穩(wěn)定)，采樣該數(shù)據(jù)點(diǎn)(每一數(shù)據(jù)點(diǎn)代表一個(gè)相位的數(shù)據(jù)值)。若每一個(gè)采樣周期需要采樣256個(gè)點(diǎn)，則最大延時(shí)為256△t=256／200=1．28μs，而被測信號為10 MHz，其周期為0．1μs，所以兩采樣點(diǎn)之間至少要間隔13個(gè)周期。
4 結(jié)束語采用傳統(tǒng)的實(shí)時(shí)采樣方法可對頻率低于1 MHz的信號進(jìn)行采樣，而對于頻率較高的信號，則介紹的基于FPGA的等效采樣技術(shù)，能使得TLC5510對高頻信號采樣，TLC5510應(yīng)用更加廣泛。