基于FPGA的高速数据采集系统接口设计.pdfVIP

基于 FPGA 的高速数据采集系统接口设计 引言 当前， 越来越多的通信系统工作在很宽的频带上， 对于必威体育官网网址和抗干扰有很高要求的某些无线通信更是如此， 随着信号处理器件的处理速度越来越快，数据采样的速率也变得越来越高，在某些电子信息领域，要求处 理的频带要尽可能的宽、动态范围要尽可能的大，以便得到更宽的频率有哪些信誉好的足球投注网站范围，获取更多的信息量。因 此，通信系统对信号处理前端的 A/D 采样电路提出了更高的要求，即希望 A/D 转换速度快而采样精度高， 以便满足系统处理的要求。 可编程门阵列 FPGA 的出现已经显著改变了数字系统的设计方式。应用可编程门阵列 FPGA ，可使数字系 统设计具有高度的灵活性，因此 FPGA 的应用越来越广泛，而新一代 FPGA--Virtex Ⅱ－PRO 的出现使 FPGA 的功能更加强大，但随之而来的是要求提高数据的传输速率，过去人们总是关心如何提高处理器运 行速度，而现在关心的是怎样才能更快地将数据从一个芯片传输到另一个芯片。可见，高速数据采集系统 的输入输出接口设计就显得尤为重要。 1 高速采集系统介绍 数据采集系统原理框图如图 1 所示，输入的中频信号经 A/D 采样电路采样后， 转换成 LVDS 信号送入 FPGA 中，或通过 FPGA 的端口 RocketIO 从高速接口输出， 或通过 FPGA 的端口 LVDS 循环存储于高速缓存中， 再由低速接口输出。其中， FPGA 主要完成对外接口管理、高速缓存的控制和管理。时钟控制电路对 A/D 数据转换器和可编程门阵列 FPGA 起同步和均衡作用。 2 输入输出接口研究 Virtex Ⅱ－PRO 系列是在 Virtex Ⅱ系列 FPGA 的基础上，嵌入了高速 I/O 接口和 IBM PowerPC 处理器， 它能实现超高带宽的系统芯片设计，支持 LVDS ，LVPECL 等多种差分接口，适应性很强。其中高速串行 （MGT ）技术采用了 RocketIO 技术， 在可编程逻辑器件中内嵌了速率为 3.125Gb/s 的多端串行通信接口， 该技术包括千 Mb 以太网、 10 千以太网、 3GIO 、SerialATA 、Infiniband 和 Fibre Channel ，为高性能接口 提供了完成的解决方案。 LVDS （Low Voltage Differential Signaling ）信号标准是一种小振幅差分信号技术， 如图 2 所示， 它使用非常低的幅度信号 （100 －450mV ），通过一对平行的 PCB 走线或平衡电缆传输数据。 在两条平行的差分信号线上流经的电流方向相反，噪声信号同时耦合到两条线上，而接收端只关心两信号 的差值，于是噪声被抵消。由于两条信号线周围的电磁场也互相抵消，故差分信号传输比单线信号传输电 磁辐射小很多，从而提高了传输效率并降低了功耗。 在高速数据采集系统中，使用了必威体育精装版的 A/D 芯片 MAX104A 。该芯片是 Maxim 公司的必威体育精装版产品，采样频率 可以达到 1GHz ，采样精度为 8 位。芯片输出是 PECL （Positive Emitter －Coupled Logic ）电平输出。 PECL 信号的摆幅相对 ECL 要小，适合于高速数据的串行或并行连接。 PECL 的输出电路结构如图 3 所示。该电 路包含一个差分对管和一对射随器。输出射随器工作在正电压范围内，无信号时电流始终存在，这样有利 于提高开关速度， 标准的输出负载接 50Ω 电阻至 VCCO －2V 的电平上，如图 3 所示，在这种负载条件下， OUT ＋与 OUT －的静态电平典型值为 UCCO －1.3V ，OUT ＋与 OUT －输出电流为 14mA 。PECL 结构的 输出阻抗很低，典型值为 4 －5 Ω，这表明它有很强的驱动能力。但当负载与 PECL 的输出端之间有一段传 输线时，低阻抗造成的失配将导致信号时域波形的振铃现象。 3 RocketIO 设计