杜改麗

（河南職工醫(yī)學(xué)院 河南 鄭州 451191）

在科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展的今天，在對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能日益提高的要求下，在一些高速、高精度的測(cè)量和應(yīng)用中，需要進(jìn)行高速高精度數(shù)據(jù)采集，并且要求數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠做到高速高精度、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、低成本、高可靠性?，F(xiàn)在通用的高速數(shù)據(jù)采集卡一般多是 PCI卡、PXI卡、ISA卡等，存在著安裝麻煩、價(jià)格昂貴；受計(jì)算機(jī)插槽數(shù)量、地址、中斷資源限制，可擴(kuò)展性差等缺點(diǎn)[1]。針對(duì)這些問(wèn)題，文中對(duì)基于USB2.0高速高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行了深入的研究和設(shè)計(jì)，特別是著重設(shè)計(jì)了模擬前端電路。

1 USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

目前市場(chǎng)上幾乎所有的計(jì)算機(jī)都配有USB（Universal Serial Bus）接口，所以它是數(shù)據(jù)采集應(yīng)用非常好的選擇。我們可以在臺(tái)式計(jì)算機(jī)上開(kāi)發(fā)用于USB數(shù)據(jù)采集設(shè)備的測(cè)量程序，然后把程序安裝到筆記本電腦上，以便到各種工作現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行測(cè)量任務(wù)[2]。USB不僅是一種非常流行的總線，它還十分易于使用。USB數(shù)據(jù)采集設(shè)備可以充分利用USB的即插即用功能，從而使其安裝變得極為簡(jiǎn)單。

現(xiàn)有USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

2 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)分5部分：

1）模擬前端信號(hào)調(diào)理電路：包括器件的選型，通過(guò)信號(hào)繼電器完成三檔控制，信號(hào)的放大、衰減、濾波等。

圖1 USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案Fig.1 USB data acquisition system design scheme

2）ADC采樣電路：ADC采樣器件的選型，外部接口電路的設(shè)計(jì)。

3）時(shí)鐘電路：為系統(tǒng)中各單元電路提供工作時(shí)鐘，特別是模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）的工作時(shí)鐘。

4）高速接口電路：高速USB2.0接口電路，為系統(tǒng)提供與PC的高速通訊。

5）電源管理電路：為系統(tǒng)中各單元電路提供穩(wěn)定的工作電源。

此論文重點(diǎn)闡述了硬件電路設(shè)計(jì)部分，如圖2所示（方框內(nèi)）。

3 模擬前端放大器選型

一個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)得成功與否，除了有好的理論設(shè)計(jì)外，更加重要的是對(duì)器件的選型，不合理的選型會(huì)導(dǎo)致一系列的后續(xù)設(shè)計(jì)問(wèn)題，有時(shí)甚至?xí)乖O(shè)計(jì)失敗，合理的選型不光可以避免設(shè)計(jì)問(wèn)題，而且可以提高系統(tǒng)的性?xún)r(jià)比，延長(zhǎng)產(chǎn)品的生命周期，獲得預(yù)想不到的經(jīng)濟(jì)效果，同時(shí)選擇一個(gè)好的器件除了能夠幫助提高系統(tǒng)的高可靠性和高性能外，還必須在封裝尺寸、性?xún)r(jià)比等方面帶來(lái)好處。小封裝的器件能夠節(jié)約很多的PCB空間，而且相應(yīng)的價(jià)格也不是很貴。

圖2 硬件電路設(shè)計(jì)部分（方框內(nèi)）Fig.2 Hardware circuit design part Inside the box

在對(duì)模擬前端信號(hào)調(diào)理電路的調(diào)理中，包括放大、衰減、滿(mǎn)足ADC輸入動(dòng)態(tài)范圍、電源供電等諸多因素的考慮[3]。所以把對(duì)信號(hào)調(diào)理中的運(yùn)算放大器的選擇作了詳細(xì)的講解。

由于選擇了ADI公司的高速14bits的高速高精度的ADC，所以在選擇與之匹配的輸入驅(qū)動(dòng)運(yùn)算放大器方面就顯得很重要，那如何選擇一款好的驅(qū)動(dòng)放大器呢？根據(jù)設(shè)計(jì)中提到的關(guān)鍵指標(biāo)和ADI推薦的驅(qū)動(dòng)放大器，選擇了ADI很優(yōu)秀的一款差分放大器AD8138來(lái)完成ADC的輸入驅(qū)動(dòng)[4]。

AD8138技術(shù)指標(biāo)如下：

高性能高速320 MHz差分放大器，采用XFCB雙極工藝，容易用作單端到差分放大器轉(zhuǎn)換。

-3 dB帶寬320 MHz，可調(diào)整共模輸出電壓。

外部可調(diào)整增益和低的諧波失真，在5 MHz和800歐姆負(fù)載時(shí)，二次為-94 dBc，三次為-114 dBc。

差分輸出幫助平衡輸入到差分ADC，最大化提高ADC性能和不需要信號(hào)變壓器，能夠保留低頻和DC信息。

到0.01%建立時(shí)間為16 ns，轉(zhuǎn)換數(shù)率為1 150 V/μs，過(guò)驅(qū)動(dòng)恢復(fù)時(shí)間為4 ns。

使用ADC輸入驅(qū)動(dòng)，單端到差分轉(zhuǎn)換，IF和基帶增益區(qū)，差分緩沖器和線路驅(qū)動(dòng)器。

在與ADC相連接的時(shí)候運(yùn)放與AD之間的濾波主要為的是濾除噪聲，抗混疊，以及給ADC的轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的瞬態(tài)能量提供緩沖，一般一階RC低通濾波即可，或者對(duì)于帶通濾波，可以根據(jù)自己的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)示意圖如圖3所示。

完成了對(duì)驅(qū)動(dòng)放大器的選擇，接下來(lái)是要選擇前端放大器了，這個(gè)放大器的作用是完成前端信號(hào)的放大和衰減，其對(duì)關(guān)鍵技術(shù)的選擇要求更加嚴(yán)格，經(jīng)過(guò)使用ADI的運(yùn)放選擇軟件的選擇和人為的技術(shù)參數(shù)，選擇了ADI具有代表性的AD811作為前端放大器[5]。其關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)如下：

1）小信號(hào)帶寬：增益G=1時(shí)，-3 dB帶寬=140 MHz

圖3 設(shè)計(jì)示意圖Fig.3 The design sketch

增益G=2時(shí)，-3dB帶寬=120 MHz

增益G=10時(shí)，-3dB帶寬=100 MHz

2)轉(zhuǎn)換數(shù)率：2 500 V/μs

3)建立時(shí)間:0.1%2V階躍信號(hào)建立時(shí)間為：25 μs

10階躍信號(hào)建立時(shí)間為：50 ns

0.01 %10 V階躍信號(hào)建立時(shí)間為：65 ns

由于AD811是一款非常優(yōu)秀的運(yùn)算放大器，所以它特別適合做前端信號(hào)的放大和衰減等調(diào)理使用，通常的連接方式有同向和反向兩種，要注意的是對(duì)反饋電阻的選擇等。

4 模擬前端信號(hào)調(diào)理電路

模擬前端信號(hào)調(diào)理電路：電路中包括了防ESD模擬信號(hào)輸入，三檔自動(dòng)增益可調(diào)，自動(dòng)觸發(fā)方式，抗混疊濾波等[6]。

三檔：通過(guò)信號(hào)繼電器完成三檔控制 RG=RF/（GAIN-1）其中電壓反饋電阻選擇600歐姆。7~10 V檔：通過(guò)分壓電阻完成分壓，然后經(jīng)過(guò)電壓射隨器到達(dá)差分放大器完成固定的5倍衰減。1~7 V檔 直接通過(guò)電壓射隨器到達(dá)差分放大器完成固定的5倍衰減。0.1~1 V檔 放大7倍后經(jīng)差分放大器完成5倍衰減.

AD811：完成放大，以及射隨器功能。AD811工作在正負(fù)10 V電壓下，提供的最大輸出電壓為7 V（改型可選擇軌對(duì)軌運(yùn)放，但是要注意技術(shù)參數(shù)）

AD8138：完成信號(hào)的差分輸出，可以提高抗干擾能力，并且完成抗混疊濾波。電路如圖4所示。

在前端電路設(shè)計(jì)中，為了不降低系統(tǒng)整體性能，達(dá)到高速高精度的設(shè)計(jì)目的，精心的選擇了器件。

其中，關(guān)于ADC9244與ADC采樣電路，AD9244公司推出的一款14高精度高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器。它由+5 V模擬電壓供電，也可以在+3 V或+5 V的數(shù)字電壓下正常工作。AD9244提供有片內(nèi)參考電壓，并集成了高性能的抽樣和保持放大器。正常工作情況下，其最高抽樣速率可以達(dá)到65MSPS。AD9244內(nèi)部使用多級(jí)差分電路結(jié)構(gòu)，并帶有自動(dòng)糾錯(cuò)的邏輯電路，可以在65MSPS的輸入數(shù)據(jù)速率下保證14 bits的精度。此外，該器件還具有很寬的工作溫度范圍，可以在-40到+85的溫度范圍內(nèi)正常工作。AD9244具有750MSPS的模擬輸入信號(hào)帶寬。在5 V供電電壓和65MSPS的輸入數(shù)據(jù)速率下，該器件的功耗僅590mW，且差分非線性誤差只有±0.6LSB，同時(shí)在Nyquist抽樣速率下可以獲得74dB的SNR和83dB的SFDR。AD9244可專(zhuān)門(mén)用來(lái)處理峰峰值為1~2 V的模擬小信號(hào)。它的輸入信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)都可以采用差分輸入形式，以使系統(tǒng)獲得最好的性能。14位數(shù)字輸出信號(hào)可以表示為直接二進(jìn)制的形式，也可以是二進(jìn)制補(bǔ)碼的形式。一位溢出表示位（OTR）可以用來(lái)輸出溢出信號(hào)，將這一位信號(hào)和14位信號(hào)中的最高位用一定方式組合起來(lái)可判定輸入信號(hào)是上溢出還是下溢出

圖4 模擬前端信號(hào)調(diào)理電路Fig.4 Analog front-end circuit for signal disposal

AD9244的特性如下：

①采用單一+5 V模擬電源，數(shù)字電源有+3 V或者+5 V兩種選擇；

②高精度，對(duì)于1 V小信號(hào)輸入，AD9244具有14bits的精度；

③高速度，抽樣速率最高可以達(dá)到65MSPS；

④低功耗，在40MSPS抽樣速率下，其功耗僅340 mW，在65MSPS抽樣速率下，功耗為590 mW；

⑤輸入頻帶寬，具有750 MHz的模擬輸入信號(hào)帶寬；在最高抽樣速率下可達(dá)到74 dB的信噪比；

⑥片內(nèi)集成有高性能的抽樣和保持放大器，輸入信號(hào)可以采用單端輸入，也可以采用差分輸入；

⑦片內(nèi)提供有+1 V~+2 V的參考電壓，并可通過(guò)變換接口的電阻值來(lái)設(shè)定；

⑧具有溢出表示位（OTR），當(dāng)輸入信號(hào)超出正常工作范圍時(shí)置1；

⑨具有高速并行輸出接口；

⑩具有很高的欠采樣性能，當(dāng)輸入信號(hào)為100 MHz，抽樣頻率為65MSPS時(shí)，SNR可以達(dá)到70dB，SFDR可以達(dá)到82dB；

ADC采樣電路：注意ADC采樣芯片的連接方式，本采樣電路中使用的是外部REF，注意ADC參考電壓的范圍，以及差分信號(hào)輸入的范圍，以及差分時(shí)鐘信號(hào)的匹配電阻.電路如圖5所示。

5 結(jié) 論

本設(shè)計(jì)采用USB2.0接口做為高速數(shù)據(jù)傳輸接口，前端模擬信號(hào)調(diào)理電路通過(guò)嚴(yán)密計(jì)算和精細(xì)選型，提高了對(duì)輸入信號(hào)的采集精度。該設(shè)計(jì)已用于某型號(hào)項(xiàng)目的實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，實(shí)際應(yīng)用表明該系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集速度快、數(shù)據(jù)采集精度高、便于靈活部署等特點(diǎn)，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

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圖5 ADC采樣電路Fig.5 ADC sampling circuit