王金明，菅少晗，李忠虎，張 飛，李 貴，趙學(xué)全

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭 014010；2.國華巴彥淖爾(烏拉特中旗)風(fēng)電有限公司，內(nèi)蒙古巴彥淖爾 015000)

0 引言

瞬態(tài)響應(yīng)是系統(tǒng)在某一典型信號輸入作用下，輸出量從初始狀態(tài)到穩(wěn)定狀態(tài)的變化過程。在爆燃過程、化學(xué)反應(yīng)、電磁波回波檢測、發(fā)動機設(shè)計等領(lǐng)域存在大量瞬態(tài)過程[1-6]。這些瞬態(tài)過程中蘊含著豐富的過程信息，對這些信息的檢測與分析是分析反應(yīng)機理、認(rèn)識事物本質(zhì)的強有力手段。

瞬態(tài)響應(yīng)信號持續(xù)時間短，并且響應(yīng)過程一般不會重復(fù)出現(xiàn)。為了保證采樣數(shù)據(jù)能夠?qū)λ矐B(tài)響應(yīng)信號有比較完整的表述，要求數(shù)據(jù)采集設(shè)備有較高的采樣速率。這些瞬態(tài)響應(yīng)過程大多是μs量級，甚至是ns量級的，尤其是在瞬態(tài)光譜測試中基本都是ns量級的信號檢測[1-2]。對其進行分析研究離不開高速數(shù)據(jù)采集設(shè)備對瞬態(tài)信號的獲取。

目前，對這些瞬態(tài)響應(yīng)過程的分析通常是在實驗室條件下完成的，采集瞬態(tài)信號的任務(wù)大多是由高速數(shù)據(jù)采集卡、高速示波器等昂貴的實驗設(shè)備完成的。這些實驗設(shè)備并不適用很多的現(xiàn)場檢測場合。這在很大程度上限制了瞬態(tài)響應(yīng)技術(shù)的應(yīng)用。針對瞬態(tài)響應(yīng)信號采集領(lǐng)域的這些特點，本文設(shè)計了一款結(jié)構(gòu)比較簡單、易于小型化、采樣速率在200 MSPS的數(shù)據(jù)采集電路系統(tǒng)，以實現(xiàn)瞬態(tài)數(shù)據(jù)采集設(shè)備便攜化設(shè)計目標(biāo)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

瞬態(tài)響應(yīng)信號數(shù)據(jù)采集電路以模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD9481為核心，選擇合適的高速時鐘芯片為模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片提供時鐘信號，模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片隨時鐘信號進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的輸出數(shù)據(jù)進入數(shù)據(jù)鎖存電路；數(shù)據(jù)輸出同步時鐘信號進入時鐘調(diào)整模塊，調(diào)整后的時鐘信號和鎖存數(shù)據(jù)在高速數(shù)據(jù)存儲模塊進行數(shù)據(jù)緩存。電路系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

電路系統(tǒng)的控制端口以及數(shù)據(jù)讀取端口可以與微控制器模塊相連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的啟動/停止控制與數(shù)據(jù)讀取。在對整個瞬態(tài)響應(yīng)信號的采集過程中，不需要外部連接端口的干預(yù)，電路系統(tǒng)可脫機獨立完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換以及緩存。在完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后，微控制器模塊可以通過相應(yīng)端口對采集的全部數(shù)據(jù)進行讀取，然后完成后續(xù)的數(shù)據(jù)處理工作。

2 系統(tǒng)主要電路設(shè)計實現(xiàn)

設(shè)計的數(shù)據(jù)采集電路主要包括模數(shù)轉(zhuǎn)換電路與高速數(shù)據(jù)緩存電路，這些電路由3.3 V的低壓差線性穩(wěn)壓模塊提供工作電源；信號的差分運放電路由外部+5 V的單電源供電。

2.1 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

模數(shù)轉(zhuǎn)換電路由模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片、時鐘芯片及其外圍電路組成。

本文的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片選擇AD9481芯片，該芯片為8位、最大數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換速率為250 MSPS的ADC。只需要提供一個3.3 V的電源和一個差分時鐘信號即可工作；另外該芯片為解復(fù)用CMOS信號輸出，可以直接與標(biāo)準(zhǔn)邏輯接口進行連接。因此，選擇該芯片能在很大程度上降低系統(tǒng)的設(shè)計復(fù)雜程度。

端口PDWN用于控制模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的啟動/停止。時鐘芯片選擇SiT9102系列有源晶振中時鐘速度為200 MHz、輸出電平為LVDS、頻率穩(wěn)定度為±50 ppm的時鐘芯片。端口CLKOE用于控制時鐘芯片的啟動/停止。模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊電路圖如圖2所示。

參考電壓設(shè)置電路圖如圖3所示。本系統(tǒng)中，AD9481芯片的參考電壓采用可編程參考的連接方式。SENSE的自偏電壓為0.5 V，通過選擇匹配的R5、R6阻值，可以設(shè)置VREF引腳的電壓為0.5×(1+R5/R6)。根據(jù)芯片數(shù)據(jù)手冊的要求，R5+R6的阻值應(yīng)不小于10 kΩ。本文電路的差分輸入量程通過外部電阻設(shè)置為最大1.5 V。

2.2 差分運放電路設(shè)計

AD9481芯片轉(zhuǎn)換的模擬信號以差分的形式輸入。為獲得最佳動態(tài)性能，模擬輸入需要差分驅(qū)動以及匹配的阻抗。需要采集的模擬信號通常為單端信號，為了更好地適應(yīng)AD9481芯片，需要將單端信號轉(zhuǎn)換為差分信號。本文采用AD8138芯片完成單端-差分信號的轉(zhuǎn)換。

AD8138是易于使用的單端-差分信號轉(zhuǎn)換芯片，輸出的共模電壓可以通過VOCM引腳進行調(diào)整，運放的外部增益通過相應(yīng)電阻可調(diào)，適用于ADC的差分驅(qū)動輸入電路。該電路系統(tǒng)中使用的差分運放電路圖如圖4所示。

當(dāng)信號源的輸出內(nèi)阻為50 Ω時，需要并聯(lián)一個大約47 Ω的電阻R15，使2個運放的增益相匹配，實現(xiàn)差分輸出平衡。通過R13和R14將差分信號的共模電壓設(shè)定為2.0 V。

2.3 數(shù)據(jù)緩存電路設(shè)計

高速模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的數(shù)據(jù)輸出速度一般遠(yuǎn)大于微控制器模塊的數(shù)據(jù)讀取速度。因此，高速模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊與微控制器模塊之間需要高速數(shù)據(jù)緩存模塊作為連接橋梁[7]。AD9481有PORT_A、PORT_B 2個8位的數(shù)據(jù)輸出端口，在進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時，2個數(shù)據(jù)輸出端口交替輸出數(shù)據(jù)，同時產(chǎn)生數(shù)據(jù)同步輸出時鐘信號DCO±。在200 MSPS的轉(zhuǎn)換速率下，數(shù)據(jù)輸出的速率為100 MHz。

高速數(shù)據(jù)緩存電路主要包括數(shù)據(jù)鎖存、時序調(diào)整以及數(shù)據(jù)緩存芯片這3部分。高速數(shù)據(jù)緩存模塊的電路圖如圖5所示。

高速數(shù)據(jù)緩存電路采用SN74LVT574芯片進行輸出數(shù)據(jù)的鎖存；采用74VCX86芯片進行同步時鐘信號的時序調(diào)整；數(shù)據(jù)緩存芯片采用72V263-L6系列芯片，72V263芯片是高速FIFO存儲芯片。在完成初始化后，僅需要提供符合要求的時鐘信號就能寫入數(shù)據(jù)；在數(shù)據(jù)寬度為9位的情況下，一個芯片最大可以緩存16 384個數(shù)據(jù)，L6系列芯片的最大數(shù)據(jù)讀寫速度可達166 MHz，完全能夠滿足本電路系統(tǒng)的數(shù)據(jù)緩存任務(wù)需要；2路信號復(fù)用器NC7SZ157P6X芯片能夠很好地解決72V263芯片的RCLK引腳的讀寫時序問題。

3 電路分析測試

本文搭建了電路硬件系統(tǒng)，電路系統(tǒng)硬件實物如圖6所示。本部分將對差分運放電路、時序調(diào)整電路、信號采集性能進行分析測試；對電路系統(tǒng)的整體性能進行驗證。

3.1 差分運放模塊分析測試

差分運放電路是目標(biāo)信號由單端到差分轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵電路模塊，AD9481以差分信號為輸入進行數(shù)據(jù)采集。因此，采集數(shù)據(jù)與原始信號的準(zhǔn)確對應(yīng)關(guān)系非常依賴差分運放模塊的性能。

差分運放電路的參數(shù)計算、仿真采用Diff-Amp Calculator，可以通過設(shè)置運放增益、輸入共模電壓等參數(shù)實現(xiàn)信號波形仿真、噪聲計算以及功耗計算等。通過設(shè)置運放的目標(biāo)增益為1，反饋電阻和增益電阻設(shè)置為523 Ω，輸入信號選擇單端模式，輸出信號選擇差分輸出模式，Diff-Amp Calculator軟件的仿真圖如圖7所示。

通過示波器獲得的差分運放電路+OUT、-OUT的差分輸出信號波形圖如圖8所示。其中差分輸出信號由+OUT與-OUT信號的差得到。

表1為仿真信號與測試信號的數(shù)據(jù)對比，其中交流分量表示的是信號的峰-峰值。通過輸出波形圖以及測試數(shù)據(jù)的對比，表明電路實際測得的信號參數(shù)與軟件仿真參數(shù)有較好的符合度，可以實現(xiàn)單端信號到差分信號的轉(zhuǎn)換。

3.2 時序調(diào)整電路分析

根據(jù)IDT 72V263芯片手冊對寫入數(shù)據(jù)的時序要求，寫入的數(shù)據(jù)在寫入時鐘上升沿之前至少2 ns的數(shù)據(jù)建立時間，寫入時鐘上升沿后數(shù)據(jù)有至少0.5 ns的數(shù)據(jù)保持時間。而AD9481的數(shù)據(jù)輸出同步時鐘信號上升沿與輸出數(shù)據(jù)之間存在-0.5～+0.5 ns的延遲。因此，不能直接使用AD9841的數(shù)據(jù)輸出時鐘信號和輸出數(shù)據(jù)。應(yīng)該通過時序調(diào)整電路調(diào)整時鐘信號，并通過調(diào)整后的時鐘信號進行數(shù)據(jù)鎖存。

表1 仿真數(shù)據(jù)與測試數(shù)據(jù)對比 V

由于數(shù)據(jù)輸出時鐘信號同時受到電路其他模塊的影響，數(shù)據(jù)鎖存所用的時鐘信號和數(shù)據(jù)緩存所用的時鐘信號的調(diào)整最終通過實驗測試來確定。實際測試表明需要調(diào)整的時鐘信號與高電平進行異或調(diào)整，可以將采集的數(shù)據(jù)以正確的順序存儲到存儲芯片中。

3.3 信號采集能力分析測試

設(shè)計的電路系統(tǒng)對信號的采集能力包括采集的數(shù)據(jù)是否能反映出采集的原始信號，以及電路系統(tǒng)可以對多長響應(yīng)時間的信號連續(xù)地進行數(shù)據(jù)采集。本部分將對以上兩方面進行測試分析。

3.3.1 信號采集完整性測試

通過輸出信號內(nèi)阻為50 Ω的信號源給出一個頻率5 MHz、直流分量為0 V、交流分量峰-峰值為1.3 V的正弦信號作為測試信號，將電路系統(tǒng)與STM32微控制器模塊相連接，進行數(shù)據(jù)采集。

設(shè)計的電路系統(tǒng)采樣速率為200 MSPS，對于5 MHz的信號，每個周期采樣的數(shù)據(jù)點理論上應(yīng)該有40個。通過實驗測試，在采集的數(shù)據(jù)序列中，從隨機位置開始向后連續(xù)選取200個數(shù)據(jù)點，理論上這些數(shù)據(jù)點將包含5個周期的數(shù)據(jù)。將選取的數(shù)據(jù)點繪制在坐標(biāo)系中，生成信號采集數(shù)據(jù)曲線。測試信號的數(shù)據(jù)點曲線如圖9所示。

通過圖9可以看到有5個周期的正弦信號，與理論預(yù)期的5個周期信號長度相符合，與信號源提供的信號波形一致。測試表明該信號采集電路能夠以200 MSPS采樣速率完整地對目標(biāo)信號進行數(shù)據(jù)采集。

3.3.2 信號采集時間長度分析

電路系統(tǒng)采用2片72V263存儲芯片交替存儲AD9481轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)，單片存儲芯片可以存儲16 384個9位數(shù)據(jù)，A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)為8位數(shù)據(jù)。該電路系統(tǒng)單次信號采集可以緩存32 768個數(shù)據(jù)；ADC轉(zhuǎn)換速率為200 MSPS，輸出數(shù)據(jù)的間隔時間為5 ns；將存儲芯片存儲滿需要163 840 μs的時間長度。以上分析表明該信號采集系統(tǒng)可以完整地對響應(yīng)過程大約在160 μs以內(nèi)的瞬態(tài)響應(yīng)信號進行數(shù)據(jù)采集。

4 結(jié)論

本文對相關(guān)電路進行了設(shè)計、搭建了實物電路、并做了分析測試，測試表明該電路系統(tǒng)采樣速率能夠達到200 MSPS，可以對響應(yīng)時間在160 μs以內(nèi)的瞬態(tài)響應(yīng)信號以5 ns的時間分辨率進行數(shù)據(jù)采集。若對數(shù)據(jù)緩存電路做結(jié)構(gòu)上的擴展，則能緩存更多的數(shù)據(jù)，能夠?qū)憫?yīng)時間更長的瞬態(tài)信號進行采集。需要注意的是測試中使用的信號源內(nèi)阻為50 Ω，而在實際使用中，信號采集端與不同輸出內(nèi)阻的信號電路連接時，要及時調(diào)整差分運放的增益電阻和反饋電阻的阻值，保證差分運放的輸出平衡。光電探測器等檢測元器件的瞬態(tài)響應(yīng)信號進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)理后，該檢測系統(tǒng)可以對目標(biāo)信號進行檢測。

該瞬態(tài)信號采集電路結(jié)構(gòu)比較簡單、性能穩(wěn)定，易于實現(xiàn)檢測設(shè)備小型化的設(shè)計。通過與STM32等微控制器模塊相連接，可以實現(xiàn)一個便攜的、完整的瞬態(tài)信號檢測與處理系統(tǒng)。