基于PCIe总线的超高速信号采集卡的设计

来源:电子工程世界 作者:—— 时间:2010-07-30 11:12

2 双路高速高精度A/D转换器设计

  高速A/D转换器模块是采集卡工作的最前端,它的设计优劣将决定着采集卡的性能指标。其中信号调理部分的功能就是在保证待测信号不失真的前提下,对输入的信号进行低噪声放大、滤波等处理。由于待采集的信号为高频信号,需要进行阻抗匹配和前置放大,可以选用低失真的有源放大器或射频变压器。有源放大器的优点是输入动态范围大,在一定带宽内增益可调,缺点是有源设计会引入一定噪声;射频变压器的优点是无源设计、带宽相对高,缺点是增益固定不可调,输入信号的幅度受到限制,并且给系统带来插入损耗。综合考虑系统设计指标要求,本系统选用TI公司的THS4509放大器作为信号调理器件,该运放具有非常好的宽带特性,增益设置为10 dB时,-3 dB带宽达l900 MH-z,单电源供电以及输出共模电压可调的特性使得THS4509非常适合于高性能的信号采集系统中;考虑到目前市场上难以得到单片A/D转换器可以达到800 MHz/s采样率和14 bit分辨率的设计指标,因此采用了两片ADS5474作为本采集卡的A/D转换器,该A/D转换器的最高采样率为400MHz/s,14 bit的分辨率,-3 dB带宽达l 400 MHz,LVDS电平的信号输出可以直接连接至FPGA处理器,方便了系统设计,两片ADS5474 工作于交叉采样模式,达到了等效于800 MHz/s的采样效果。

  信号采集是连续的,而数据的上传是由主机软件通过DMA方式间断获取,因此需要设计大容量的存储器以缓存数据,同时为了达到不间断采集目的,设计了两块存储区采用乒乓缓存的工作方式,即一块存储区用于缓存A/D转换器高速数据时,另一块存储区用于将先前已存储的数据上传。大容量内存采用Micron公司的内存模块MT4HTF3264HY-53E,该内存模块容量256 MB,数据总线宽度64 bit,采用SODIMM封装形式,数据访问带宽最高可达4.3 GB/s,远超出本系统的需求。

  当采集卡工作于最高采样率800 MHz/s、14 bit分辨率时,转换的数据率将会达到1.6 GB/s,给后续的数据传输带来非常大的压力。常用的总线如PCI,PXI等已经满足不了如此高的速率要求,本系统采用了8通道的PCIe总线来实现高速数据传输,每通道运行速率2.5 Gb/-s,采用8b/10b编解码方式工作,可以得到总数据带宽约2 GB/s,达到实时传输数据的要求。

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