基于FPGA的高速AD轉換

摘要：在雷達設計中，需要對接收到的信號首先進行模數轉換，其轉換速度和準確性直接決定了之后FFT等運算的準確性，最終影響雷達測量精度。介紹了一種基于FPGA，利用芯片ADS7890實現一種快速14位串行AD轉換，對系統的軟件和硬件做了說明。硬件部分主要為ADS7890的基本外圍電路以及芯片EP2C35F672C與其的控制連接，軟件部分利用Quartus II 8．0編程。
關鍵詞：FPGA；雷達；AD轉換；ADS7890

當前實時測距技術有超聲波測距、激光測距、雷達測距等。在原理上以上幾種測距方式類似，但毫米波雷達測距克服了其他幾種探測方式在運用中的一些缺點。毫米波雷達有穩定的探測性能，與光學相比，它不易受對象物表面形狀和顏色的影響，而與超聲波、紅外線相比，它不受大氣紊流的影響，且受雨、霧、雪、陽光、灰塵等的干擾小。雷達接收到的信號為一調頻連續波信號，而隨著數字化的發展，在檢測、控制等領域，越來越多的模擬信號需要轉換成數字信號進行處理。AD轉換即是將輸入的模擬信號以二進制數字輸出的過程，根據香農(Shannon)定理：如果隨時間變化的模擬信號的最高頻率為ω，只要按照采樣頻率ωs≥2ωmax進行采樣，那么取出的樣品系列(f1*(t)、f2*(t)，…)就足以代表(或恢復)f(t)。其主要包括采樣、保持、量化和編程4個過程。
對應特定的應用，AD轉換要求不同，在高頻雷達設計中，要求AD轉換有較高的轉換速度，才能實時測距；而最終雷達測距的精度，與AD轉換、FFT的位數有直接關系。一些自帶AD的單片機不僅數據處理速度慢，且AD位數也達不到要求，故本設計采用基于FPGA平臺，利用ADS78 90實現快速、高精度的模數轉換。

1 系統硬件電路
系統主要總體結構如圖1所示。

該系統采用ALTERA公司的芯片EP2C35F672C6為控制核心，對ADS7890進行控制及轉換結果數據處理。雷達測距可采用雷達IVS-167，它是Innosent公司推出的一款IVS(Innosent VCO stereo)系列的K-波段帶VCO的雷達收發器。由于采用平面微帶天線結構，且收發天線合一，使得其外形十分小巧，在工作中不僅節能省電，而且非常易于集成于各種電路，也易于在安裝環境中構建模塊保護設施。
在本設計中，以雷達接收信號為模擬信號輸入，通過功放電路使輸入信號達到AD轉換芯片要求，再利用FPGA產生時序控制ADS7890串行發送數字信號的開始、結束，并對接收到的數據處理后通過led顯示結果。
1．1 芯片ADS7890
ADS7890是一種高位快速AD轉換芯片，包含2．5 V內部參考電壓的模擬14位串行AD轉換器，其最高采樣率為1．25 MSPS，具有48個引腳，可作為SPI或DSP接口。芯片中含省電設備，當轉換速度較低時進入省電模式。芯片可應用于光電傳感器、電機電流／電壓傳感器、醫療檢測儀器、高速數據采集系統等。