基于DRFM的数据采集前端的设计思路和方法

1 DRFM数据采集模块的设计 1．1 MAXlOlA的主要特点 ADC芯片是数据采集的核心器件，本系统中A／D转换器采用MAXIM公司的MAXlOlA，它的最高采样速率可达到500 Msps，采样精度为8 bit。本文采用两片MAXl01A交替采样，以使系统达到1 Gsps的采样速率。MAXlOlA主要特点如下： ◇具有500 MHz转换速率； ◇在250 MHz时的有效位为7．0

1 DRFM数据采集模块的设计

1．1 MAXlOlA的主要特点

ADC芯片是数据采集的核心器件，本系统中A／D转换器采用MAXIM公司的MAXlOlA，它的最高采样速率可达到500 Msps，采样精度为8 bit。本文采用两片MAXl01A交替采样，以使系统达到1 Gsps的采样速率。MAXlOlA主要特点如下：

◇具有500 MHz转换速率；

◇在250 MHz时的有效位为7．0位；

◇1．2 GHz模拟输入带宽；

◇误差小于±1／2LSB INL；

◇带50 Ω差分或单端输入；

◇具有±250 mV的模拟输入范围；

◇数据通路可双路锁存输出；

1．2 MAXl01A的原理

（1）多位转换

MAXl01A采用并行结构（即闪烁结构）进行比普通积分ADC更快的多位转换。典型的n位闪烁结构含有（2n-1）个比较器，其负输入端均匀的从基准网络阶梯电阻的底部排布到顶部，各占据一个LSB增量值。MAXl01A是一个单片双交叉并行量化的芯片，它内部具有两个独立的8位转换器，n=8时，应有255个比较器。这些转换器将结果传送给A、B两组输出端，并在输入时钟交替负边沿锁存它们。

（2）跟踪／保持

MAXlOlA内部自带的跟踪／保持放大器提升了获得有效数据位的性能，并允许在高转换速率情况下仍以较高的精度捕捉模拟数据。其内部Track／Hold电路为MAXIMA提供了两个重要的功能：一是它的4倍额定增益减少了输入差动电压的振幅，对±1．02 V基准源，输入信号为+250mV；二是提供一个差动的50 Ω输入，使MAXl01A接口应用极为方便。

（3）数据流

MAXlOlA内部的跟踪／保持放大器为ADC提供模拟输入电压的采样。而T／H放大器被同时分为两部分，分别工作在交替的时钟负边沿。输入时钟CLK应满足T／H放大器要求，同时还可回馈给A／D部分。输出时钟DCLK用于数据定时，是输入时钟CLK的2分频或10分频。

1．3 MAXlOlA的应用

（1）模拟输入范围

虽然正常工作范围为+250 mV，但对MAXl01A的每个输入端而言，其对地的输入范围实际上为±500 mV，这扩展了包括模拟信号和任何DC共模的电压的输入电平。要在差动输入模式下得到满量程的数字输出，应在AIN+和AIN-之间加+250 mv电压，也就是说，AIN+=+125 mV，AIN-=-125mV （无直流偏置）。在模拟输入端之间无电压差时，会出现中间刻度数字分驱动为-250mV，即AIN+=-125 mV，AIN-=+125 mV时，会出现零刻度数字输出代码。

（2）基准

ADC的基准电阻确定了ADC的最低有效位（LSB）的大小和动态工作范围。通常，电阻串的底部和顶部都是由内部缓冲放大器驱动的。在ADC的基准输入端加RC网络可获得最佳性能，可将一个33 Ω电阻与驱动该基准电阻串的缓冲输出级相联，而0．47μF电容必须接在缓冲输出级的电阻器旁边。这个电阻与电容的组合必须位于MAXl01A封装的0．5英寸（1．27 cm）之内。任一端接点的噪声都会直接影响代码的检测，并且降低ADC的有效数据位指标。

（3）时钟CLK和DCLK

MAXl01A的所有输入时钟和输出时钟都是差动的。输入时钟CLK和DCLK是MAXl01A的基本定时信号。CLK和DCLK通过内部一个50 Ω电阻传输线锁到内部电路。只有一对CLK和DCLK输入端被驱动，而其他对耦端子通过该50 Ω传输线接到-2 V。对简单电路连接而言，任一对输入端子都可以用作被驱动的端子。DCLK和／DCLK是由输入时钟产生的输出时钟，用于数据分组A和B的内部输出定时（A组数据在DCLK的上升沿后有效。B组数据在下降沿后有效）。在正常模式下，它们是输入时钟速度的一半的时钟信号。MAXl01A可以工作在输入时钟高达500 MHz的频率上。

（4）输出模式控制（DIVl0）

当MAXl01A的DIVl0脚接地时，它工作于检测模式。这时输入时钟被10分频，从而将输出数据和时钟频率降至1／5，但仍保证输出时钟的占空比为50％，而接输出定相的时钟保持不变，这样每5个输入采样值中就有4个被丢掉。反之，当DIVlO脚悬空时，它被内部电阻拉低，MAX-lolA工作于正常模式。

（5）布线、接地和电源

正常工作时，MAxl01A需要一个+5×（1±0．01） V的正电源和一个-5．2×（1±0．01）V的负电源。用高质量的0．1μF和0．01μF的陶瓷电容，将VTT和Vcc电源旁路，并且在尽可能靠近引脚的地方接地。需将所有接地引脚接到地平面，可优化抗噪声性能并提高器件的应用精度。

2 数据缓存模块设计

数据缓存器使用Ahera公司的FLEXlOKE系列CPLD。该设计利用FLEXlOKE器件实现高速FIFO，由于作为数据缓存的FIF0的输入输出时钟频率不能相同，所以必须使用双时钟FIFO。且该类器件用低电压供电，大大降低了系统功耗，提高了系统的灵活性和可靠性。

本文所介绍的系统使用VHDL硬件描述语言来对FLEXlOKE进行编程，编程环境为MAX+PLUSⅡV9．6扳本。

VHDL编程采用模块式设计。首先建立4个模块，即FIF0、MUX、counterl、counter2。其中的FIFO既可以调用lpm-FIF0（dualClock）来修改其中的一些关键参数以符合要求，也可以手工编写程序实现，这里采用调用宏模块的方式。值得注意的是，FIFO的输入输出时钟频率不同，因此必须采用双时钟FIF0。MUX、counterl、counter2是配合FIF0使用的多路复用器和分频器（计数器），均应手工编写其源程序。几个子模块完成以后，要新建一个总的系统模块（system）来调用子模块，以在system模块中完成系统端口的定义以及各个子模块之间的逻辑关系描述。这种设计有利于逻辑设计的集成化，从而为后续的改进提供方便。图2为编译通过后的系统仿真波形图。

3 结束语

本文以DRFM设计为核心，着重介绍了DRFM的数据采集前端的设计思路和方法。在超高速数据采集领域，数百兆乃至1 GHz的采样速度非但在国内，即就在国外也是电路设计的难点。使用基于SRAM的CPLD可以有效避开使用高速FIFO作为缓存器带来的高功耗、高开销的影响。数据缓存可以在一个片子内实现，降低了硬件的复杂度，减小了系统的功耗。更加值得关注的是，这类CPLD具有icr，即在电路可重配置，可以通过对其编程的方法其修改电路功能，这样就为后续的系统改进打下了良好的基础。