5 Gsps高速数据采集系统的设计与实现

高速实时频谱仪是对实时采集的数据进行频谱分析，要达到这样的目的，对数据采集系统的采样精度、采样率和存储量等指标提出了更高的要求。而在高速数据采集系统中，ADC在很大程度上决定了系统的整体性能，而它们的性能又受到时钟质量的影响。为满足系统对高速ADC采样精度、采样率的要求，本设计中提出一种新的解决方案，采用型号为EV8AQ160的高速ADC对数据进行采样；考虑到ADC对高质量、低抖动、低相位噪声的采样时钟的要求，采用AD9520为5 Gsps数据采集系统提供采样时钟。为保证系统的稳定性，对模数混合信号完整性和电磁兼容性进行了分析。对ADC和时钟性能进行测试，并给出上位机数据显示结果，实测表明该系统实现了数据的高速采集、存储和实时后处理。

1 系统的构成
高速数据采集系统主要包括模拟信号调理电路、高速ADC、高速时钟电路、大容量数据缓存、系统时序及控制逻辑电路和计算机接口电路等。图1所示为5 Gsps高速数据采集系统的原理框图。所用ADC型号为EV8AQ160，8 bit采样精度，内部集成4路ADC，最高采样率达5 Gsps，可以工作在多种模式下。通过对ADC工作模式进行配置，ADC既可以工作在采样率为5 Gsps的单通道模式，也可以工作在采样率为2．5 Gsps的双通道模式。模拟输入信号经过BALUN型高频变压器完成单端信号到差分信号的转换，ADC对差分信号进行采样，然后把数据送入FPGA，FPGA将接收到的数据进行预处理后存储到第三代双倍速率同步动态随机存储器(DDR3)中，需要对采集的数据进行后续处理时，将数据从DDR3中取出，并通过PCI Express传送给上位机，上位机对数据进行处理后显示。整个硬件系统仅采用一片FPGA来处理，并作为主控芯片对整个系统进行通信和控制，大大提高了系统的运行速度。本设计采用Xilinx公司Virrex-6系列FPGA，型号为XC6VLX240T-1156C。

2 系统的设计与实现
2．1 高速ADC设计及其完整性分析
高速ADC芯片EV8AQ160在片内集成了4路独立的ADC，每个通道具有1．25Gsps的采样率，可以工作在3种模式下，最高采样率可达5Gsps。要求2．5 GHz差分对称时钟输入，可进行ADC主复位。EV8AQ160内部集成了1：1和1：2的数据多路分离器(DMUX)和LVDS输出缓冲器，可以降低输出数据率，方便与多种类型的高速FPGA直接相连，实现高速率的数据存储和处理。为了补偿由于器件参数离散和传输路径差异所造成的采样数据误差，该ADC具有针对每路ADC数据的积分非线性(INL)、增益(Gain)、偏置(Offset)、相位(Phase)的控制和校正。EV8AQ160提供测试功能，具有两种测试方式，方便用户根据自己的习惯对ADC是否正常工作进行测试。

在本设计中，ADC工作在单通道模式下，DMUX1：2输出，输出数据宽度为64位，数据输出率为625 Msps，输出数据的同时输出312．5 MHz同步采样时钟，FPGA在该时钟的上升沿和下降沿采集数据。
由于探测器、信号源等输出的信号通常为单端信号，而ADC的模拟输入端为差分形式，在其前端加入BALUN型高频变压器，不仅实现了单端输入到差分输入的转换，还起到了隔离、抑制外部噪声引入等功能。
高速ADC的8路输出均属于高速数字信号，而其输入信号为模拟信号，因此在进行电路设计时，要考虑ADC的布局、模拟信号走线、数据信号走线以及其采样时钟走线，还有时钟布局和FPGA的接口等，确保所涉及的系统完全满足信号完整性的规范要求，如振铃、反射、串扰和电磁干扰等。
本设计使用Mentor Graphics的PADS软件对高速模数信号PCB板进行设计，根据上面提出的信号完整性和电磁兼容问题，并结合本设计的实际情况，主要进行如下设计：
1)合理布局：采用具有独立的地平面和电源层的多层电路板，并按照电路功能，对器件进行分块布局，模拟电路采用平面技术和网状屏蔽技术。
2)合理的信号走线：ADC的模拟输入信号走线旁边不能有别的走线；其输出的数据信号和时钟信号尽可能远离时钟电路模块，为保证采样时钟信号与数据信号同步，走线时让它们都经历相同的延迟，此外还能保证其时序的一致性，从而消除了走线延时对后端数据接收的影响。在布线条件允许范围内，输出的同一路数据信号线按照最短路径布线原则在同一电路层上走线，差分对与差分对之间的距离要尽量拉大，或者尽可能地减少相邻传输线间的累积平行距离，以减小串扰。时钟输入信号作为模拟信号处理，远离任何模拟输入和数字信号。
3)所有高速信号和时钟信号尽量走在内层。在获得相同目标特征阻抗的情况下，应该将布线层与参考平面(地平面与电源层)间的介质层尽可能的薄，这样就加大了传输线与参考平面间的耦合度，减少相邻传输线间的耦合。
2．2 采样时钟电路设计及其完整性分析
时钟信号的质量是决定采样系统性能的关键因素，也是高速数据采集系统的一个难点。反映时钟质量的指标主要有两个：相位噪声和相位抖动。在高速、高分辨率的ADC电路中，采样时钟的抖动必然造成时基采样点的偏离，从而导致系统整体性能的下降，主要表现在对ADC采集数据信噪比和有效位数的影响上。
采样时钟完整意义上的抖动应包含时钟源孔径抖动、时钟驱动器件的孔径抖动以及ADC自身的孔径抖动。ADC自身的孔径抖动是一个常数，通常会在器件手册中作为一项重要指标给出，时钟驱动器件引入的时钟的孔径可以通过其器件手册和相位噪声倍频公式获得，时钟源抖动则与时钟稳定性和相位噪声参数有关。
如果ADC时钟总的孔径抖动的概率分布均值为0，方差为σ2(σ=tj，tj为ADC孔径时间)时，系统信噪比与孔径抖动关系可以表示为：