基于TLC5510的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、    1 tlc5510簡(jiǎn)介    tlc5510是美國德州儀器(ti)公司的8位半閃速架構(gòu)a/d轉(zhuǎn)換器，采用cmos工藝，大大減少比較器數(shù)tlc5510最大可提供20 mss的采樣率，可廣泛應(yīng)用于高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字tv、醫(yī)學(xué)圖像、視頻會(huì)議以及qam解調(diào)器等領(lǐng)域tlc5510的工作電源為5 v，功耗為100 mw(典型值)內(nèi)置采樣保持電路，可簡(jiǎn)化外圍電路設(shè)計(jì)tlc5510具有高阻抗并行接口和內(nèi)部基準(zhǔn)電阻，模擬輸入范圍為06 v26 v11 引腳功能描述    tlc5510采用24引腳的貼片封裝，其引腳

2、配置如圖1所示各引腳功能描述如下：    agnd：模擬信號(hào)地；    anglog in：模擬信號(hào)輸入端；    clk：時(shí)鐘輸入端；    dgnd：數(shù)字信號(hào)地；    d1d8：數(shù)據(jù)輸出端d1為數(shù)據(jù)低位，d8為數(shù)據(jù)高位；    oe：輸出使能端oe為低電平時(shí)數(shù)據(jù)端有效，否則數(shù)據(jù)端為高阻態(tài)；    vdda：模擬電路工作電壓；    vddd：數(shù)字電路工

3、作電壓；    refts：內(nèi)部參考電壓當(dāng)內(nèi)部分壓器輸出額定2 v基準(zhǔn)電壓時(shí)，該端短路至reft；    reft：參考電壓(t代表top為26 v)；    refb：參考電壓(b代表bottom為06 v)；    refbs：參考電壓當(dāng)內(nèi)部分壓器產(chǎn)生2 v的額定基準(zhǔn)電壓時(shí)該端短路至refb 12 典型應(yīng)用電路    tlc5510的基準(zhǔn)電源有多種接法，根據(jù)不同場(chǎng)合選擇適當(dāng)基準(zhǔn)電源，利用內(nèi)部基準(zhǔn)源，tlc5510典型應(yīng)用電路如圖2所示由于其測(cè)

4、量范圍為06 v26 v(即：tlc5510在轉(zhuǎn)換時(shí)模擬輸入06 v時(shí)對(duì)應(yīng)數(shù)字輸出00 000 000，26 v對(duì)應(yīng)的數(shù)字輸出11111 111)，因此輸入信號(hào)在進(jìn)入tlc5510之前要對(duì)其處理，要使該輸入信號(hào)處于量程內(nèi)，應(yīng)加入一個(gè)16 v的直流分量2 基于tlc5510的數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)21 兩級(jí)采樣    tlc5510雖采樣率高，但受干擾嚴(yán)重基于上述特點(diǎn)，將tlc5510運(yùn)用于寬頻數(shù)字示波器的數(shù)據(jù)采集為了提高抗干擾能力，專門設(shè)計(jì)一個(gè)有源晶振模塊為tlc5510提供采樣時(shí)鐘，但導(dǎo)致采樣率不可調(diào)為了解決這個(gè)問題，采用兩級(jí)采樣第一級(jí)采樣為控制ad轉(zhuǎn)換器對(duì)外圍的電信號(hào)高

5、速采樣，并將其采樣保存到fpga內(nèi)部寄存器，該級(jí)采樣率恒定不變，并由硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)；第二級(jí)采樣為軟件采樣，即由fpga采樣控制模塊從寄存器中提取第一級(jí)采集結(jié)果，該級(jí)采樣率是可調(diào)的22 等效采樣    根據(jù)奈奎斯特定律，采樣頻率高于信號(hào)頻率的兩倍就可恢復(fù)原波形當(dāng)采樣頻率等于或小于信號(hào)頻率可采用等效采樣，在不同周期獲取不同相位的幅值，根據(jù)相位將幅值連續(xù)排列即可復(fù)原波形    采用內(nèi)觸發(fā)采樣，即由被測(cè)信號(hào)的某相位點(diǎn)位為觸發(fā)，然后存儲(chǔ)其實(shí)現(xiàn)過程：每一個(gè)完整的采樣需采集256個(gè)點(diǎn)，每一個(gè)采樣點(diǎn)都是由相同電平觸發(fā)，觸發(fā)后啟動(dòng)fpga內(nèi)部的計(jì)數(shù)器，對(duì)

6、高頻脈沖記數(shù)，脈沖數(shù)不同，代表相位也不相同經(jīng)過256個(gè)周期，就可采集256個(gè)不同的相位點(diǎn)3  基于fpga的等效采樣31  實(shí)現(xiàn)方案    該系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用延遲法來實(shí)現(xiàn)等效采樣如圖3所示，設(shè)輸入信號(hào)f(t)的周期為t(頻率為f)，若將f(t)的一個(gè)周期t以t等分，在時(shí)間t1進(jìn)行第一次取樣，為了采集到下一個(gè)相位點(diǎn)，在時(shí)間t2進(jìn)行第二次采樣，t1t2可相隔多個(gè)信號(hào)周期假設(shè)m個(gè)，則相鄰兩個(gè)采樣脈沖的時(shí)間間隔為(mt+t)如此類推，以下3個(gè)采樣點(diǎn)則分別在t3，t4，t5時(shí)刻采樣在每個(gè)觸發(fā)位置延時(shí)nt(n=0，1，2，3)后存儲(chǔ)采樣，即可合成一個(gè)完整波形這

7、種方法控制方便，通過fpga完成整個(gè)觸發(fā)、延時(shí)、采樣和存儲(chǔ)功能，但對(duì)觸發(fā)電路和延時(shí)電路要求很高32 硬件電路設(shè)計(jì)321 整形觸發(fā)電路    由于每一次采樣都要由某一事件觸發(fā)，所以該系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用內(nèi)觸發(fā)，即觸發(fā)源為被采樣信號(hào)，并由硬件觸發(fā)電路實(shí)現(xiàn)該電路可把各種波形的周期信號(hào)整形為與原信號(hào)周期相同的方波信號(hào)    由于采用等效采樣技術(shù)，其被測(cè)信號(hào)頻率較高假設(shè)被采樣信號(hào)的最高頻率約為10 mhz，則整形器件選用maxim公司的電壓比較器max912當(dāng)輸入信號(hào)電壓高于預(yù)置的觸發(fā)電平時(shí)，輸出高電平；反之輸出低電平圖4所示為整形觸發(fā)電路322 采樣

8、保持電路    每次采樣是比觸發(fā)時(shí)刻延遲nt的數(shù)據(jù)點(diǎn)，但由于被采樣信號(hào)頻率很高，要準(zhǔn)確采樣到該點(diǎn)基本無法實(shí)現(xiàn)為此需要引入采樣保持電路    采樣保持電路的功能：在采樣時(shí)刻到來之前，該模塊的輸出電壓隨輸入電壓變化當(dāng)?shù)竭_(dá)采樣時(shí)刻時(shí)，輸出電壓保持不變以供tlc5510采樣其具體電路如圖5所示    該采樣保持電路由兩片運(yùn)算放大器a1，a2和模擬開關(guān)a3構(gòu)成，采樣時(shí)通過fpga控制時(shí)鐘使a3的通道s1導(dǎo)通a1，a2為單位增益的電壓跟隨器，故uo=uc=uo，此時(shí)電容充電至uc因電壓跟隨器的輸出電阻很小，故電容快速

9、充電斷開s1，由于uc無放電通路，其電壓基本不變，故uo保持不變，即保存采樣結(jié)果33 軟件編程控制    等效采樣的軟件控制實(shí)際上是指對(duì)采樣時(shí)刻的控制和對(duì)外同采樣保持電路時(shí)序的控制，該控制可以在fpga內(nèi)部編程實(shí)現(xiàn)，對(duì)應(yīng)的實(shí)現(xiàn)模塊如圖6所示，主要由兩部分組成其一為數(shù)字鎖相環(huán)(pll)，用于產(chǎn)生頻率足夠高的脈沖信號(hào)由于采樣率與t有關(guān)，因此將原來fpga自帶的40 mhz時(shí)鐘信號(hào)送入數(shù)字鎖相環(huán)使之5倍頻，進(jìn)而提高至200 mhz其二為控制模塊，采用同步開啟異步復(fù)位的編程思想它有兩個(gè)時(shí)鐘輸入端：clkce2是被測(cè)信號(hào)經(jīng)整形電路后的脈沖信號(hào)，該信號(hào)為同步信號(hào)，也為觸發(fā)源每次采樣都由該信號(hào)觸發(fā)開始計(jì)數(shù)；clk200是數(shù)字鎖相環(huán)產(chǎn)生的高頻采樣脈沖，計(jì)數(shù)開始后內(nèi)部計(jì)數(shù)器對(duì)clk200計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)到m后(即mt時(shí)間)，計(jì)數(shù)完畢，馬上控制采樣保持電路進(jìn)入保持狀態(tài)，然后在經(jīng)過若干個(gè)clk200時(shí)鐘周期后(為了使信號(hào)完全進(jìn)入保持狀態(tài)電平達(dá)到穩(wěn)定)，采樣該數(shù)據(jù)點(diǎn)(每一數(shù)據(jù)點(diǎn)代表一個(gè)相位的數(shù)據(jù)值)若每一個(gè)采樣周期需要采樣256個(gè)點(diǎn)，則最大延時(shí)為256t=256200=128s，而被測(cè)信