一種2 Gsps數字示波器數據采集系統的設計

數據采集系統是數字存儲示波器的核心部分，在示波器采集控制電路的控制下，數據采集系統將待測的模擬信號量化后進行緩存，供示波器軟件系統進行數據的處理、運算、顯示。隨著計算機技術的不斷發展，高速ADC的性能不斷提高，功能強大的DSP信號處理的實時性越來越強，可編程的邏輯器件的性能不斷提升，為示波器數據采集系統的實現提供了一個可靠而且實用的數字平臺。相應的，數據采集系統的采樣速率、存儲深度、波形捕獲能力、鑒別能力等指標也在不斷提高。國際上，示波器行業像安捷倫、泰克等公司在數字存儲示波器市場上占據了主導地位，均有實時采樣率達到幾十Gsps的示波器面市，但是由于受到器件和工藝的限制，國內實現真正的高速高分辨率的數據采集系統還具有比較大的困難。
本文采用ADC+高頻時鐘電路+FPGA+DSP的結構模式，設計了一種實時采樣率為2 Gsps的數字存儲示波器數據采集系統，為國內高速高分辨率的數據采集系統的研制提供了一個參考方案。

1 關鍵器件選擇
DSO數據采集系統的主要技術指標：a)雙輸入通道同時工作，每通道最高實時采樣率達到2 Gsps；b)垂直分辨率8 bit；c)存儲深度：8 MB／CH。整個系統的關鍵器件包括ADC、高頻時鐘芯片、FPGA、DSP、SRAM。通過對目標系統主要技術指標的分析，結合數字存儲示波器的應用特性，選擇了以下一系列器件。
數據采集系統要求達到的最高實時采樣率為2 Gsps，同時考慮目標系統所要求的垂直分辨率、數據輸出格式，另外兼顧示波器的模擬帶寬以及器件的購買渠道和性價比，選擇了Atmel公司的AT84AD001。AT84AD001是雙通道ADC，每一通道具有1 Gsps的實時采樣率，在交錯模式下雙路ADC并行采樣可以達到2 Gsps的實時采樣率。其分辨率為8 bit，數據輸出格式是LVDS(Low Voltage Differential Signaling)，具有1：1數據輸出或1：2數據輸出模式可選，此外，全功率輸人帶寬(-3 dB)為1．5 GHz，差分電壓輸入范圍為500 mVVpp。
此外，重要的一點，AT84AD001還具有FISDA(Fine Sampling Delay Adjustment on Channel Q)功能，通過調整Q通道的采樣時刻，有效地避免了因為采樣時鐘的占空比不等于50％而造成的誤差，保證了采樣精度。
高速高精度的ADC對采樣時鐘的精度要求非常高，時鐘電路一般的設計方法是直接利用FPGA內部的鎖相環倍頻電路產生，但是目標系統要求采樣時鐘頻率達到1 GHz，而目前Altera和Xilinx公司的高端FPGA其I／O輸出頻率最高只能達到800MHz。經過綜合評價，最終選定了美國NS公司的高頻時鐘芯片LMX2531LQ1910E。其輸出低段頻率為917 MHz～1 014 MHz，滿足設計要求，此外，LMX2531具有非常低的抖動和相位噪聲。而且還集成了低噪聲、高性能的低壓差線性穩壓器LDO(Low Drop Out regulator)元件，使電路的抗干擾性和穩定性得到了提高。
FPGA的可編程性以及豐富的內部邏輯資源和外部I／O資源，用來作為數字存儲示波器數據采集與控制系統。特別地，單片AT84AD001量化輸出是16路1 Gbps速率、LVDS格式的差分數據，目標系統雙輸入通道同時工作，這就要求FPGA具有32個能支持1 Gbps的差分I／O，利用高速I／O將數據接收并存儲。由此，選擇了Altera公司的Stratix II EP2S60F1020C4，該FPGA最多可以支持多達84個1 Gbps的差分通道，并且增加了源同步通道的動態相位對準電路，為高速數據的接受提供了有力的支持。
在示波器的高速數據采集系統中，需要對采集到的數據進行大量實時性的運算和處理，綜合考慮市面上的各
款處理器，選擇ADI公司的DSP芯片Blackfin561作為嵌入式計算系統。Blackfin561主頻最高可達750 MHz，其內核包含2個16位乘加器MAC(Multiplier and Accumulator)、2個40位累加器ALU、1個40位移位器、100KB的片內L1存儲器以及128 KB的片內L2存儲器SRAM，同時具有動態電源管理功能。此外，Blackfin處理器還包括豐富的外設接口，滿足設計的需要。
本文設計的數字存儲示波器的存儲深度要求達到每通道8 MB，而FPGA芯片Stratix II EP2S60F1020C4的片內存儲單元總共只有552 KB，所以，必須采用片外存儲器作為采集RAM來存儲量化后的波形數據，經過綜合考慮，選用美國賽普拉斯公司的SRAM芯片CY7C1440AV33。

2 系統結構
本文設計的數據采集系統采用ADC+高速時鐘電路+FPGA+SRAM+DSP的結構模式，其系統結構如圖1所示。通道1、通道2均采用一片最高實時采樣率為2 Gsps的AT84AD001作為模數轉換器完成對模擬輸入信號的量化，高頻時鐘電路用來產生整個數據采集系統所需要的工作時鐘，FPGA用來完成采樣數據的接收，并且實現FPGA與DSP的接口電路；SRAM作為數據采集系統的采集RAM，完成將量化后的波形數據緩存；DSP作為數據采集系統的主控機，完成對采集電路的控制和接收采集電路采集的數據，并對采樣數據進行處理、分析和顯示。