l 引 言

    模数转换电路作为模拟技术与数字技术的接口广泛应用与工业控制、雷达、通信、消费电子等许多领域。随着数字技术、软件无线电和微电子技术的高速发展，极大地促进了模数转换电路设计技术的发展，高速、高性能的数据采集(A／D变换)系统占据了越来越重要地位。如果想对模拟信号进行数字信号处理，A／D变换是必不可少的。在雷达系统中，他把接收机输出的模拟信号转化为数字量以供后面的DSP进行处理，是构成信号处理系统前向通道的核心，其性能的高低某种程度上决定着整个处理系统性能高低，因而可以说在一定程度上决定了整个雷达系统的性能。基于现代A／D在整个系统的重要地位，高速、高性能的数据采集(A／D变换)系统的实现方法愈来愈重要了。本文以美国AD公司生产的A／D变换器AI)924．0和美国Xilinx公司生产的FPGA XC4013为例，阐述了一种高速、高性能的数据采集系统的实现方法。

2 模数转换器AD9240

2．1 内部构造

    AD9240是美国AD公司近年推出的一种转换速率为10 MHz、单工作电源的14位并行模／数转换集成电路。他是一个完整的单片ADC电路，片内有高性能、低噪声的SHA采样保持电路和输出缓冲器以及可选择的内部或外部基准源。AD9240采用带有数字输出误差校正的多级差动流水线结构，确保在宽温度环境下工作不丢码。图l是AD9240的内部结构框图。

2．2 工作时序

    AD9240在每个时钟周期都允许捕捉到新的输入采样，但是实际上他需要3个时钟周期完成转换的整个处理过程，并将数据输出。如图2所示。这种延迟考虑在瞬时数据采集和实时存储的情况下是非常重要的。

 
    所有高速高分辨率的A／D对输入采样时钟的质量都很敏感。AD9240的输入时钟最好满足占空比45％～55％的条件，对于采样时钟低于10 MHz的情况，占空比可以偏离此范围，但必须满足tCH和tCL的要求。

2．3 输入输出

    AD9240的输入模拟信号幅度VP-P可以选择。AD9240有一个片内基准源，通过管脚连线可选择基准为1 V或2．5 V。如果SENCE管脚与REFCOM管脚相连，VREF电压为2．5 V。如果SENCE管脚与VREF、管脚相连，VREF电压为1 V。VREF、管脚的电压决定了A／D变换器满量程输入幅度，满量程输入幅度为2倍的VRE[7。

    AD924O的数字输出在整个输入范围内采用正逻辑的自然二进制编码。

3 现场可编辑门阵列XC4013

    XC4013是美国Xilinx公司生产的FPGA芯片，他的最大逻辑门数可达13 000门，结构可以分为3个部分：可编程逻辑块CLB(Configurable Logic Blocks)，构成了器件的逻辑核心；可编程I／O模块IOB(Inptlt／Output Block)，连接逻辑块的互连资源；可编程内部连接PI(Programmable Intercon-nect)，用于逻辑块之间、逻辑块与输入／输出块之间的连接。CLB在器件中排列为阵列，周围环形内部连线，IOB分布在四周的管脚上。Xilinx的CLB功能很强，不仅能够实现逻辑函数，还可以配置成RAM等复杂的形式。

    FPGA器件的功能由逻辑结构的配置数据决定。工作时，这些配置数据存放在片内的SRAM或者熔丝图上。使用SRAM的FPGA器件，在工作前需要从芯片外部加载配置数据。配置数据可以存储在片外的E2PROM或其他存储体上，人们可以控制加载过程，在现场修改器件的逻辑功能，即所谓现场编程。通过对FPGA编程可以很方便地实现时序控制和数据存储。

4 数据采集系统的实现

4．1 系统构成

    在雷达系统中，经常需要对多个不同距离目标进行实时采集和信号处理，这就需要对大量的数据进行存储。本文以4片AD9240和1片xC4013所组成的数据采集系统为例说明其实现方法。

    图4是本文介绍的数据采集系统的框图，他主要由4片ADC和1片FPGA构成。4片AD9240对4路模拟信号同时进行采样，其中每一路模拟信号都可以包含N个不同距离的目标回波，数据采集系统可以将这N个模拟信号快速地转换为数字信号的同时将这些数据锁存在FPGA中，之后按照信号处理所需的模式传送出去。

    由于AD9240的最大转换速率为10 MHz，因此N个目标回波之间的时间间隔应≥100 ns；而因为XC4013的内部资源所限，一般情况下N≤8。

4．2 测试结果

    在频域测试中，以信噪比和有效位数来衡量转换电路的噪声情况。在输入信号频率为20 KHz，采样速率为10 MHz情况下，对A／D变换输出数据进行64点FFT分析，结果其信噪比SNR为73 dB，平均噪声基底为－76 dB,，

5 结 语

    根据测试分析以及实际应用，现对高速模数转换电路的设计提出下列参考意见：

    根据ADC手册的要求连接模拟地和数字地，通常将模拟地和数字地分别连接，在远端共接；模拟电源与数字电源应作隔离处理，以减少对模拟电路的干扰。采用电源层和地层，并利用其将模拟信号线和数字信号线隔离，这样可以避免数字电路中的干扰串入模拟电路中影响转换性能。ADC器件输出端应采用数据锁存器，既起到隔离驱动的作用又便于数据的输出。选取合适的运算放大器减少谐波失真。信号线尤其是模拟输入信号线应尽量短粗，并进行大面积覆铜，以减少信号失真及其之间的相互干扰。尽量保证采样时钟的精度，减少时钟抖动对转换性能的影响。

作者：马军，中国电子科技集团公司第20研究所陕西西安，710068