【摘要】：隨著信息技術(shù)的發(fā)展,模擬信號(hào)的頻率帶寬越來越高,而在現(xiàn)代電子信息領(lǐng)域中,如雷達(dá)、聲吶、核探測(cè)器等儀器輸出的高頻信號(hào),其頻率一般高達(dá)百M(fèi)Hz乃至GHz,對(duì)于這些高頻信號(hào)的采集需要更高的采樣率和更高的精確度。本文設(shè)計(jì)了一種多通道Gsps級(jí)高速數(shù)據(jù)采集卡的實(shí)現(xiàn)方案。數(shù)據(jù)采集卡采用10位5Gsps的TIADC進(jìn)行多通道采樣,使用擴(kuò)展性極強(qiáng)的FMC接口設(shè)計(jì)成子母板結(jié)構(gòu),采用FPGA作為邏輯控制核心,利用DDR3存儲(chǔ)器及千兆以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)上傳功能。數(shù)據(jù)采集子板設(shè)計(jì)了兩套方案:一種采用單片ADC實(shí)現(xiàn)四通道可選輸入,四通道采樣率達(dá)到1.25Gsps,單通道采樣率達(dá)到5Gsps;一種采用兩片ADC實(shí)現(xiàn)雙通道可選輸入,主要實(shí)現(xiàn)雙通道5Gsps的采樣功能,并嘗試將兩片ADC進(jìn)行交錯(cuò)采樣來驗(yàn)證單通道1OGsps的設(shè)計(jì)方案。本文圍繞高速TIADC芯片重點(diǎn)設(shè)計(jì)了兩套數(shù)據(jù)采集子板的模擬信號(hào)調(diào)理、ADC高速采樣、低抖動(dòng)(150fs)高速采樣時(shí)鐘、高速同步電路等硬件模塊,圍繞FPGA設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)處理母板的DDR3存儲(chǔ)、千兆以太網(wǎng)傳輸接口等硬件模塊。針對(duì)ADC高速采樣利用內(nèi)嵌有IODELAY可調(diào)延遲單元的串并轉(zhuǎn)換器ISERDES,設(shè)計(jì)了基于源同步的高速數(shù)據(jù)接收FPGA邏輯。對(duì)于單ADC數(shù)據(jù)采集卡只有母板上的一片F(xiàn)PGA,其內(nèi)部邏輯還包括時(shí)鐘芯片和ADC芯片的SPI配置、數(shù)據(jù)整合與觸發(fā)控制、DDR3接口控制和千兆以太網(wǎng)接口控制等模塊。對(duì)于雙ADC數(shù)據(jù)采集卡,子板和母板上各有一片F(xiàn)PGA,因此部分邏輯模塊遷移到子板FPGA,還加入了BRAM來進(jìn)行100Gbps的高速數(shù)據(jù)緩存,并實(shí)現(xiàn)了兩片F(xiàn)PGA之間的數(shù)據(jù)傳輸。論文最后對(duì)數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行了性能測(cè)試,編寫了上位機(jī)軟件和MATLAB處理程序作為測(cè)試平臺(tái),在校正ADC通道失配誤差后測(cè)試了其性能參數(shù)。測(cè)試結(jié)果表明兩套ADC采集子板的靜態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能都表現(xiàn)良好:單ADC采集子板在單通道5Gsps模式下,有效位ENOB的典型值達(dá)到8.56(100MHz);雙ADC采集子板在雙通道5Gsps模式下,有效位ENOB的典型值達(dá)到8.01(100MHz)。本文主要完成的工作和創(chuàng)新點(diǎn)有:(1)設(shè)計(jì)了兩套多通道Gsps級(jí)高速數(shù)據(jù)采集卡的硬件方案。圍繞10位5Gsps高速TIADC芯片,重點(diǎn)研究了模擬信號(hào)調(diào)理、ADC高速采樣、低抖動(dòng)(150fs)高速采樣時(shí)鐘、高速同步電路等模塊。(2)完成了ADC高速數(shù)據(jù)的接收緩存、存儲(chǔ)上傳的FPGA邏輯設(shè)計(jì)。在完成時(shí)鐘芯片和ADC芯片的SPI配置的基礎(chǔ)上,利用內(nèi)嵌有IODELAY可調(diào)延遲單元的串并轉(zhuǎn)換器ISERDES設(shè)計(jì)了基于源同步的高速數(shù)據(jù)接收模塊,并利用片內(nèi)BRAM實(shí)現(xiàn)了100Gbps超高數(shù)據(jù)速率的實(shí)時(shí)緩存。(3)設(shè)計(jì)了上位機(jī)測(cè)試平臺(tái)并完成了ADC性能測(cè)試。編寫了上位機(jī)軟件和MATLAB處理程序作為測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行測(cè)試,結(jié)果表明兩套數(shù)據(jù)采集子板的靜態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能都表現(xiàn)良好,有效位ENOB的典型值分別達(dá)到8.56和8.01。
【圖文】：

個(gè)級(jí)別的參考電平稱為量化電平，用二進(jìn)制碼來對(duì)此進(jìn)行標(biāo)定的過程則稱為編碼。逡逑量化和編碼實(shí)現(xiàn)了數(shù)值斷續(xù)過程，將窄寬度的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成立離散的數(shù)字信號(hào)。逡逑圖２．４為量化編碼示意圖。其中，，彳稱為量化單位即最小參考電平，定義為逡逑滿量程電壓邋Ｆｆｓｒ邋（Ｆｕｌｌ邋Ｓｃａｌｅ邋Ｒａｎｇｅ邋Ｖｏｌｔａｇｅ）與２ｎ的比值，艮Ｐ：逡逑ｑ邋＝邋Ｖ￣＾邐（式邋２．２）逡逑，Ｔ、個(gè)邐，Ｔ、＂０１１０邐１００１邐０１０１逡逑ｏｎ，邋ｏｍ邋0，00逡逑９ｑ邐邋９ｑ邐—邐逡逑７ｑ邐７ｑ邋ＩＩ邐Ｉ邋：邋：邋Ｉ邋：邋：邋１１１邋：逡逑６ｑ邋邐邐邐邋６ｑ邋邐邐＾邋＿．邋邋邐逡逑５ｑ邋＂邋邋邋—邐邐ｉ邐５ｑ邋邋邋—＇ｙ邋一邐邐逡逑３ｑ邋■■邋邐邐邐邐邋一邋邐邐邋３（ｊ邋—邐邐—邋邐邐逡逑一邋■■邋一邋…邐２ｑ邐一逡逑１＿ｉｔ．邋．Ｊｒ，邋ｉＪ＿１�。撸钸�？邐￣邋ｒ邋ｌ邋Ｉ邋邐？逡逑0邋Ｔｓ邋２ＴＳ邋３Ｔ，邋４ＴＳ邋－邋ｔ邐０邋Ｔｓ邋２ＴＳ邋３ＴＳ邋４ＴＳ邋－邋ｔ逡逑圖２．４量化編碼過程逡逑在量化編碼過程需要關(guān)注的是量化過程中產(chǎn)生的量化誤差（也稱量化噪聲

個(gè)級(jí)別的參考電平稱為量化電平，用二進(jìn)制碼來對(duì)此進(jìn)行標(biāo)定的過程則稱為編碼。逡逑量化和編碼實(shí)現(xiàn)了數(shù)值斷續(xù)過程，將窄寬度的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成立離散的數(shù)字信號(hào)。逡逑圖２．４為量化編碼示意圖。其中，彳稱為量化單位即最小參考電平，定義為逡逑滿量程電壓邋Ｆｆｓｒ邋（Ｆｕｌｌ邋Ｓｃａｌｅ邋Ｒａｎｇｅ邋Ｖｏｌｔａｇｅ）與２ｎ的比值，艮Ｐ：逡逑ｑ邋＝邋Ｖ￣＾邐（式邋２．２）逡逑，Ｔ、個(gè)邐，Ｔ、＂０１１０邐１００１邐０１０１逡逑ｏｎ，邋ｏｍ邋0，00逡逑９ｑ邐邋９ｑ邐—邐逡逑７ｑ邐７ｑ邋ＩＩ邐Ｉ邋：邋：邋Ｉ邋：邋：邋１１１邋：逡逑６ｑ邋邐邐邐邋６ｑ邋邐邐＾邋＿．邋邋邐逡逑５ｑ邋＂邋邋邋—邐邐ｉ邐５ｑ邋邋邋—＇ｙ邋一邐邐逡逑３ｑ邋■■邋邐邐邐邐邋一邋邐邐邋３（ｊ邋—邐邐—邋邐邐逡逑一邋■■邋一邋…邐２ｑ邐一逡逑１＿ｉｔ．邋．Ｊｒ，邋ｉＪ＿１�。撸钸�？邐￣邋ｒ邋ｌ邋Ｉ邋邐？逡逑0邋Ｔｓ邋２ＴＳ邋３Ｔ，邋４ＴＳ邋－邋ｔ邐０邋Ｔｓ邋２ＴＳ邋３ＴＳ邋４ＴＳ邋－邋ｔ逡逑圖２．４量化編碼過程逡逑在量化編碼過程需要關(guān)注的是量化過程中產(chǎn)生的量化誤差（也稱量化噪聲
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TP274.2;TN792

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本文編號(hào)：2649880