专利名称：高速高精度模拟信号采集回放卡的制作方法
技术领域：
本实用新型属于数据采集领域，特别涉及对模拟信号进行高速高精度数据采集回放和快速实时处理技术。
背景技术：
宽带高速高精度的模拟信号采集处理技术一直是数据采集领域的一个重要研究课题与技术难题。在通信领域，尤其是军事通信领域使用跳频、直接序列扩频和跳时等混合方式的扩展频谱工作方式，使得工作频段越来越高、越来越宽。为了进行信号的获取与分析，对宽带高速高精度的信号采集设备的需求越来越高。目前，模拟信号采集设备大多存在采集精度低，带宽窄与速度低的缺点，主要受限于A/D转换芯片的性能、上下变频技术及高频信号处理技术，不能满足高精度与高带宽数据采集应用的需求。随着A/D转换器件水平的提高，为宽带高速高精度的模拟信号采集处理设备的研制提供了必要的技术基础。
发明内容
本实用新型的目的是为了克服已有技术的不足之处，提出一种宽带高速高精度模拟信号采集回放解决方案，设计出宽带高速高精度的模拟信号采集回放卡，实现14bits精度的模拟信号采集回放功能，采样率达200MSPS，从而使宽带高速高精度模拟信号采集处理设备的研制成为可能。
为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是一种高速高精度模拟信号采集回放卡，其电路由模拟信号采集模块、模拟信号回放模块、缓冲管理模块、高速串行数据接口模块以及系统总线接口模块五部分组成；所述模拟信号采集模块包括信号调理电路、A/D转换电路和高稳定度时钟电路，信号调理电路由模拟信号放大器和滤波调整构成，模拟信号放大器采用拓扑电路，由前级的衰减器和后级固定增益的放大器组成一个程控放大器，模拟信号经过放大与滤波调整后输出；A/D转换电路采用双片14Bits的AD6645-105芯片通过电路连接实现正交采样，将调理后的模拟信号进行A/D变换；高稳定度时钟电路采用恒温晶振作为时钟源，选用带锁相环的可编程频率综合器，以保证双片AD6645-105芯片进行正交采样的相位差为180度；所述模拟信号回放模块包括D/A转换电路，放大反馈电路和时钟电路，D/A转换电路采用AD9772A芯片；放大反馈电路对AD9772A芯片输出的模拟信号进行放大调理，以获取更好的模拟信号输出质量；时钟电路采用恒温晶振作为时钟源，选用带锁相环的可编程频率综合器，为D/A转换电路提供高稳定度的时钟，使卡内数据以模拟信号方式进行回放；所述缓冲管理模块包括多级数据缓冲FIFO、采集样点存储器及数据交叉选择电路，多级数据缓冲FIFO采用3块IDT72V3694芯片形成一个多级数据缓冲机构；采集样点存储器采用两片动态存储器DDR SDRAM，通过DDR SDRAM控制逻辑控制两片DDR SDRAM存储器，实现卡上采集样点高速缓存；数据交叉选择电路对各级数据缓冲及采集样点存储器的控制，为各级数据缓冲搭建一条高速的硬件数据通路；所述高速串行数据接口模块采用TLK4015作为高速串行数据接口，提供采集回放卡与外部存储设备的高速数据通路，将采集数据实时存储到外部存储介质；所述系统总线接口模块包括PCI/cPCI总线控制器和PCI/cPCI总线控制逻辑，PCI/cPCI总线控制器实现与PCI/cPCI总线的接口，PCI/cPCI总线控制逻辑实现对PCI/cPCI总线控制器的控制接口，将所述模拟信号采集模块采集的数据传送给计算机系统或从计算机系统获取数据，通过所述的模拟信号回放模块发送出去。
本实用新型工作原理是所述模拟信号采集模块实现两路模拟信号的输入与调理，以及模拟信号到数字信号的转换功能，通过两片14Bits A/D转换器，进行中频带通双片正交采样，实现200MSPS采样速率；所述模拟信号回放模块实现模拟信号的回放功能，对原始数据实现D/A转换，并对D/A转换输出的模拟信号进行放大处理，以160MHz的频率进行回放；所述缓冲管理模块实现采样数据的高速缓冲及样点缓存，通过多级高速双向FIFO设计，为采样数据建立高速的数据通路，同时通过DDR SDRAM控制逻辑控制两片DDR SDRAM存储器，实现卡上采集样点高速缓存；所述高速串行数据接口模块提供采集回放卡与外部存储设备的高速数据通路，实时将采集数据存储到外部存储介质；所述系统总线接口模块实现计算机系统采集回放卡的高速数据交互，将采集的样点数据发送到计算机系统或从计算机系统读取需要进行回放的原始数据。
本实用新型能够实现模拟信号的高速高精度采集、采集样点高速缓存、采集数据的实时外部存储以及原始数据的模拟回放。其主要技术指标如下1、采集精度14bit2、采样率 32～200MSPS3、回放速率32～160MHz4、样点缓存2～4GB5、信噪比 ＞71dB6、采集时钟稳定度优于1E10-9本实用新型可用于以下领域1、雷达与激光雷达信号采集2、声纳信号采集3、医疗设备4、软件无线电5、无线通信6、高能物理试验数据采集
图1为本实用新型高速高精度模拟信号采集回放卡的硬件构成框图。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本实用新型作进一步描述实施例一种高速高精度模拟信号采集回放卡，其硬件电路由模拟信号采集模块I、模拟信号回放模块II、缓冲管理模块III、高速串行数据接口模块IV、系统总线接口模块V五部分组成，如图1所示。
各模块的组成及功能说明如下I、模拟信号采集模块，包括信号调理电路、A/D转换电路和高稳定度时钟电路，其中1)信号调理电路信号调理电路主要实现模拟信号的放大与滤波调整，以及对后端A/D转换器件的保护。输入的模拟信号被送入程控放大器，进行精确的、线性的放大倍数控制，采用专用拓扑电路，由前级的衰减器和后级固定增益的放大器组成。这种结构具有独特的优点模拟信号带宽不随增益变化而变化。在信号放大的同时对信号进行滤波处理，滤除杂波，以抑制信号噪声。经过放大与滤波调整后，将输入的模拟信号源调整为适合后端ADC芯片采样的幅度范围，获取更好输入信号同时也ADC器件进行了有效保护。
2)A/D转换电路经过调理后的模拟信号被送入模/数转换器(Analog to Digital Converter，ADC)进行A/D变换。我们选用的ADC是Analog Device公司生产的AD6645-105芯片。AD6645是一种高速、高性能、单片14位ADC。它在片内提供了跟踪保持器(T/H)和基准电压源之类所有必要功能，以实现完整的数据转换解决方案。它的高速性能特点允许用于采样速率高达200MHz的中频采样，同时保持11.3有效位数。AD6645可提供两种等级的产品一种采样速率为105MSPS，另一种为80MSPS。
为了实现200MSPS的采样率，我们选用采样率为105MSPS的AD6645-105作为我们的ADC转换器件。通过电路连接两片AD6645-105芯片，采用双片ADC芯片正交采样，保证两片ADC芯片的时钟相位差为180度，从而满足14位高精度200MSPS的模拟信号采样。同时，线路设计充分考虑信号的噪声容限，时序余量、EMC以及电源等诸多问题，以降低信号的噪声，保证14位的采样精度。
3)高稳定度时钟电路为了实现两片ADC芯片进行正交采样，必须保证ADC芯片的采样时钟相位差为180度，时钟信号的抖动对信噪比的影响很大。
为达到这么高的指标，要求系统时钟稳定度必须达到10-9。因此必须设计高稳定度时钟电路，我们采用恒温晶振作为时钟源，选用带锁相环的可编程频率综合器，用锁相环芯片产生所需要的低抖动时钟信号，时钟信号的传输采用叉分方式，尽可能减少传输过程中的干扰。以满足采样电路对时钟的要求。
II、模拟信号回放模块，包括D/A转换电路，放大反馈电路和时钟电路，其中1)D/A转换电路模拟信号模块回放实现任意模拟信号的回放，可作为任意信号波形发生器和函数发生器。D/A转换电路实现数字信号到模拟信号的转换，我们选用Analog Device公司生产的AD9772A DAC(Digital to AnalogConverter)作为我们的数/模转换芯片。
AD9772A是Analog Device公司的一款高速、宽带DAC芯片，采用单电源供电、内插过采样，最高支持160MSPS的输入数据速率。在提供充分动态输入范围情况下，可以最优的重构产生基带和中频波形。片内集成了带有2倍内插滤波器和锁相环路的低失真DAC，锁相环路提供了所有片内所需时钟和控制信号。基于外部稳定时钟源考虑，AD9772A还为为时钟提供了灵活的输入管脚，既可支持单端形式输入时钟，也可支持差分时钟输入。
我们运用AD9772A，配以稳定的外部时钟源，以产生高质量的基带信号。
2)放大反馈电路放大反馈电路实现对DAC器件输出的模拟信号进行放大调理，以获取更好的模拟信号输出质量。
3)时钟电路时钟电路为D/A转换电路提供高稳定度的时钟，虽然AD9772A提供了内置的时钟电路，但是其内部时钟的精度及稳定度不能满足本实用新型应用的需求，因此，我们为D/A转换电路设计了高稳定度的时钟电路，采用恒温晶振作为时钟源，选用带锁相环的可编程频率综合器，用锁项环芯片产生所需要的低抖动时钟信号，时钟信号的传输采用叉分方式，提供稳定度高达10-9的外部时钟源。
III、缓冲管理模块，包括多级数据缓冲FIFO，采集样点存储器及数据交叉选择电路，其中1)数据缓冲FIFO本实用新型面向的是高速高精度模拟信号处理应用，在处理过程中会产生海量的数据量，在14位精度，200MSPS采样率的工作模式下，会产生400MB/s的采样数据。因此，采集回放卡的数据缓冲设计决定了系统的性能和可用性。
因此，我们在设计时采用了多级数据缓冲机制，利用大容量的双向高速FIFO器件搭建高速数据通道。我们选用IDT公司的IDT72V3694作为卡上数据缓冲，IDT72V3694是一款双向32K×36×2的FIFO芯片，可以提供高达256KB的高速数据缓冲，访问时间6.5ns，是一款高速、低功耗(3.3V)的FIFO器件，内部两个独立的时钟提供FIFO的双向操作。卡上采用3块IDT72V3694芯片形成一个多级数据缓冲机构，避免了在高速数据采集回放过程中的数据溢出。
2)采集样点存储器采集样点存储器用来临时存放采集的样点数据，因为采集形成的数据量非常大，如果没有高速的数据通道将采集数据实时传送到外部存储介质中，可以将样点数据暂存在样点存储器中，在采集结束后再通过PCI总线将样点数据读入后端计算机系统进行存储和处理。
本实用新型采用两片动态存储器(DDR SDRAM)实现采集样点存储器。如果采用传统的由SRAM和FIFO来堆砌，实现比较简单，但规模庞大，费用高，性价比低。采用DDR SDRAM实现，具有速度快，容量大、性价比高、配置灵活、使用方便等优点，但也存在着设计难度大、控制复杂的缺点。
因此，在DDR SDRAM控制电路的设计上，我们选择Altera的DDRSDRM Controller IP核进行设计，在原有的IP核基础上做了大的改动，改进了其存取速度低，控制不稳定的缺陷，提高了访问内存的性能，实现对DDR SDRAM进行高速交替读写与动态刷新。
3)数据交叉选择电路数据交叉选择电路实现对各级数据缓冲及采集样点存储器的控制，为各级数据缓冲搭建一条高速的硬件数据通路。
IV、高速串行数据接口模块本使用新型设计的高速高精度模拟信号采集回放卡在提供高速样点缓存的同时，还提供了高速串行数据接口，通过高速串行数据接口，可以与外部存储设备进行高速数据交互，如磁盘阵列系统。
我们选用TI公司的TLK4015作为高速串行数据接口，TLK4015是4通道multi-gigabit收发器，用于极高速、双向、点对点数据传输系统。4通道收发器，单通道速率1.2Gb/s，4通道并行工作，整个接口速率达4.8Gb/s。
V、系统总线接口模块，包括PCI总线控制器和PCI总线控制逻辑，其中1)PCI总线控制器PCI总线控制器实现与PCI总线的接口，采用PLX公司PCI9656芯片，支持PCI规范2.2版，具有两个DMA通道，可适用于64-bit，66MHzPCI总线。提供高达528MB/s的峰值传送速度。
2)PCI总线控制逻辑PCI总线控制逻辑实现对PCI总线控制器的控制接口，我们采用Altera公司的可编程逻辑器件对PCI总线控制器接口进行控制，实现了卡上寄存器访问，高速DMA数据通路，中断管理等控制功能。
上述实施例只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。
权利要求1.一种高速高精度模拟信号采集回放卡，其特征在于电路由模拟信号采集模块、模拟信号回放模块、缓冲管理模块、高速串行数据接口模块以及系统总线接口模块五部分组成；所述模拟信号采集模块包括信号调理电路、A/D转换电路和高稳定度时钟电路，信号调理电路由模拟信号放大器和滤波调整构成，模拟信号放大器采用拓扑电路，由前级的衰减器和后级固定增益的放大器组成一个程控放大器，模拟信号经过放大与滤波调整后输出；A/D转换电路采用双片14Bits的AD6645-105芯片通过电路连接实现正交采样，将调理后的模拟信号进行A/D变换；高稳定度时钟电路采用恒温晶振作为时钟源，选用带锁相环的可编程频率综合器，以保证双片AD6645-105芯片进行正交采样的相位差为180度；所述模拟信号回放模块包括D/A转换电路，放大反馈电路和时钟电路，D/A转换电路采用AD9772A芯片；放大反馈电路对AD9772A芯片输出的模拟信号进行放大调理，以获取更好的模拟信号输出质量；时钟电路采用恒温晶振作为时钟源，选用带锁相环的可编程频率综合器，为D/A转换电路提供高稳定度的时钟，使卡内数据以模拟信号方式进行回放；所述缓冲管理模块包括多级数据缓冲FIFO、采集样点存储器及数据交叉选择电路，多级数据缓冲FIFO采用3块IDT72V3694芯片形成一个多级数据缓冲机构；采集样点存储器采用两片动态存储器DDR SDRAM，通过DDRSDRAM控制逻辑控制两片DDR SDRAM存储器，实现卡上采集样点高速缓存；数据交叉选择电路对各级数据缓冲及采集样点存储器的控制，为各级数据缓冲搭建一条高速的硬件数据通路；所述高速串行数据接口模块采用TLK4015作为高速串行数据接口，提供采集回放卡与外部存储设备的高速数据通路，将采集数据实时存储到外部存储介质；所述系统总线接口模块包括PCI/cPCI总线控制器和PCI/cPCI总线控制逻辑，PCI/cPCI总线控制器实现与PCI/cPCI总线的接口，PCI/cPCI总线控制逻辑实现对PCI/cPCI总线控制器的控制接口，将所述模拟信号采集模块采集的数据传送给计算机系统或从计算机系统获取数据，通过所述的模拟信号回放模块发送出去。
专利摘要一种高速高精度模拟信号采集回放卡，其特征在于电路由模拟信号采集模块、模拟信号回放模块、缓冲管理模块、高速串行数据接口模块以及系统总线接口模块五部分组成；所述模拟信号采集模块包括信号调理电路、A/D转换电路和高稳定度时钟电路；所述模拟信号回放模块包括D/A转换电路、放大反馈电路和时钟电路；所述缓冲管理模块包括多级数据缓冲FIFO、采集样点存储器及数据交叉选择电路；所述高速串行数据接口模块采用TLK4015作为高速串行数据接口；所述系统总线接口模块包括PCI/cPCI总线控制器和PCI/cPCI总线控制逻辑。本实用新型能够实现模拟信号的高速高精度采集、采集样点高速缓存、采集数据的实时外部存储以及原始数据的模拟回放。其主要技术指标如下1.采集精度14bit；2.采样率32～200MSPS；3.回放速率32～160MHz；4.样点缓存2～4GB；5.信噪比＞71dB；6.采集时钟稳定度优于1E10－9。
文档编号G06F3/05GK2791746SQ200520070520
公开日2006年6月28日 申请日期2005年4月4日 优先权日2005年4月4日
发明者袁定伍 申请人:苏州鹞鹰数据技术有限公司