一种2 Gsps数字示波器数据采集系统的设计

数据采集系统是数字存储示波器的核心部分，在示波器采集控制电路的控制下，数据采集系统将待测的模拟信号量化后进行缓存，供示波器软件系统进行数据的处理、运算、显示。随着计算机技术的不断发展，高速ADC的性能不断提高，功能强大的DSP信号处理的实时性越来越强，可编程的逻辑器件的性能不断提升，为示波器数据采集系统的实现提供了一个可靠而且实用的数字平台。相应的，数据采集系统的采样速率、存储深度、波形捕获能力、鉴别能力等指标也在不断提高。国际上，示波器行业像安捷伦、泰克等公司在数字存储示波器市场上占据了主导地位，均有实时采样率达到几十Gsps的示波器面市，但是由于受到器件和工艺的限制，国内实现真正的高速高分辨率的数据采集系统还具有比较大的困难。
本文采用ADC+高频时钟电路+FPGA+DSP的结构模式，设计了一种实时采样率为2 Gsps的数字存储示波器数据采集系统，为国内高速高分辨率的数据采集系统的研制提供了一个参考方案。

1 关键器件选择
DSO数据采集系统的主要技术指标：a)双输入通道同时工作，每通道最高实时采样率达到2 Gsps；b)垂直分辨率8 bit；c)存储深度：8 MB／CH。整个系统的关键器件包括ADC、高频时钟芯片、FPGA、DSP、SRAM。通过对目标系统主要技术指标的分析，结合数字存储示波器的应用特性，选择了以下一系列器件。
数据采集系统要求达到的最高实时采样率为2 Gsps，同时考虑目标系统所要求的垂直分辨率、数据输出格式，另外兼顾示波器的模拟带宽以及器件的购买渠道和性价比，选择了Atmel公司的AT84AD001。AT84AD001是双通道ADC，每一通道具有1 Gsps的实时采样率，在交错模式下双路ADC并行采样可以达到2 Gsps的实时采样率。其分辨率为8 bit，数据输出格式是LVDS(Low Voltage Differential Signaling)，具有1：1数据输出或1：2数据输出模式可选，此外，全功率输人带宽(-3 dB)为1．5 GHz，差分电压输入范围为500 mVVpp。
此外，重要的一点，AT84AD001还具有FISDA(Fine Sampling Delay Adjustment on Channel Q)功能，通过调整Q通道的采样时刻，有效地避免了因为采样时钟的占空比不等于50％而造成的误差，保证了采样精度。
高速高精度的ADC对采样时钟的精度要求非常高，时钟电路一般的设计方法是直接利用FPGA内部的锁相环倍频电路产生，但是目标系统要求采样时钟频率达到1 GHz，而目前Altera和Xilinx公司的高端FPGA其I／O输出频率最高只能达到800MHz。经过综合评价，最终选定了美国NS公司的高频时钟芯片LMX2531LQ1910E。其输出低段频率为917 MHz～1 014 MHz，满足设计要求，此外，LMX2531具有非常低的抖动和相位噪声。而且还集成了低噪声、高性能的低压差线性稳压器LDO(Low Drop Out regulator)元件，使电路的抗干扰性和稳定性得到了提高。
FPGA的可编程性以及丰富的内部逻辑资源和外部I／O资源，用来作为数字存储示波器数据采集与控制系统。特别地，单片AT84AD001量化输出是16路1 Gbps速率、LVDS格式的差分数据，目标系统双输入通道同时工作，这就要求FPGA具有32个能支持1 Gbps的差分I／O，利用高速I／O将数据接收并存储。由此，选择了Altera公司的Stratix II EP2S60F1020C4，该FPGA最多可以支持多达84个1 Gbps的差分通道，并且增加了源同步通道的动态相位对准电路，为高速数据的接受提供了有力的支持。
在示波器的高速数据采集系统中，需要对采集到的数据进行大量实时性的运算和处理，综合考虑市面上的各
款处理器，选择ADI公司的DSP芯片Blackfin561作为嵌入式计算系统。Blackfin561主频最高可达750 MHz，其内核包含2个16位乘加器MAC(Multiplier and Accumulator)、2个40位累加器ALU、1个40位移位器、100KB的片内L1存储器以及128 KB的片内L2存储器SRAM，同时具有动态电源管理功能。此外，Blackfin处理器还包括丰富的外设接口，满足设计的需要。
本文设计的数字存储示波器的存储深度要求达到每通道8 MB，而FPGA芯片Stratix II EP2S60F1020C4的片内存储单元总共只有552 KB，所以，必须采用片外存储器作为采集RAM来存储量化后的波形数据，经过综合考虑，选用美国赛普拉斯公司的SRAM芯片CY7C1440AV33。

2 系统结构
本文设计的数据采集系统采用ADC+高速时钟电路+FPGA+SRAM+DSP的结构模式，其系统结构如图1所示。通道1、通道2均采用一片最高实时采样率为2 Gsps的AT84AD001作为模数转换器完成对模拟输入信号的量化，高频时钟电路用来产生整个数据采集系统所需要的工作时钟，FPGA用来完成采样数据的接收，并且实现FPGA与DSP的接口电路；SRAM作为数据采集系统的采集RAM，完成将量化后的波形数据缓存；DSP作为数据采集系统的主控机，完成对采集电路的控制和接收采集电路采集的数据，并对采样数据进行处理、分析和显示。