2.3前端电路设计

　　ADC前端电路主要完成对模拟输入幅度、信号形式的调整。它采用交流耦合方式，通过差分放大器，实现对信号幅度调整，同时实现单端输入信号转差分信号[7]。并且，通过后续的滤波器实现信号的滤波。其结构如图4所示。

　　虽然差分运放是有源器件，使用中会消耗功率，且产生噪声，但它的性能限制比变压器少，可以在必须保留直流电平时应用，而且放大器增益设置简单灵活，且通带范围内提供平坦的响应，而没有由于变压器寄生交互作用引起的纹波。

　　作为ADC驱动放大器，其在系统中发挥着以下几个重要作用：

　　（1）隔离信号源并为ADC的输入提供低阻抗驱动。因为ADC输入阻抗可能是信号相关的，并且在实际转换过程中，输入还可能产生瞬态负载电流，所以低阻抗交直流驱动源是非常重要的。高频情况下，低源阻抗可以使这些因素产生的误差最小化。

　　（2）驱动放大器提供了必要的增益和电平转换，使信号匹配到ADC输入电压范围。

　　当然，如果ADC输入常处于高阻态且无瞬态负载，除非对增益和电平转换有要求，否则不要使用缓冲放大器。

　　ADC的[SN+D]（信号噪声失真比）是决定驱动放大器的关键因素。如果在目标频率范围内，驱动放大器的[THD]（总谐波失真加性噪声）总是优于ADC的[SN+D]值6～10dB，那么所有由放大器造成的[SN+D]降低将相应限制在接近[8]0.5～1dB。

　　利用ADI公司提供的ADIDiffAmpCalculator软件可得到前端电路仿真图，如图5所示。由文献[3]可知在输入信号为15MHz时，AD9650的[SN+D]为82dB，而图5中AD8139的[THD]为88dB，满足上述要求。综合考虑增益及通带内响应及输入阻抗等因素，前端电路采用ADI公司的差分运放AD8139。

　　3系统结构及工作原理

　　3.1系统结构

　　根据系统要求，设计的高速大动态范围ADC数据采集系统，结构如图6所示，主要包括模数转换模块、数字信号预处理模块、数据传输模块和嵌入式单板机等。

　　模数转换模块是信号采集系统最重要的组成部分。它主要包括ADC、前端电路和时钟电路等。主要完成的功能是实现对模拟中频输入信号的数字化，以用于后续的数字信号处理。

　　数字信号预处理模块采用较为成熟的FPGA+DSP[9]结构，主要实现对数字信号的FFT、数字正交解调等，同时实现对原始数据传输。信号预处理主要在DSP中完成，而FPGA内部搭建两个FIFO来实现数据传输，同时完成对收发单元等的控制功能。FPGA采用Xilinx的低功耗高性能产品Spartan6，DSP采用AnalogDevice公司的低功耗DSP产品ADSP21479。

　　数据传输模块采用Cypress公司的CY7C68014，通过USB接口完成由FPGA向嵌入式单板机的数据传输。嵌入式单板机具备各种符合计算机协议的数据接口，包括与电子硬盘的存储接口，与上位机的网络通信接口，以及与预处理卡的USB通信接口。

　　数据采集系统硬件电路实物，如图7所示。系统分成两块电路板，即模拟ADC板和FPGA+DSP数字板，两者通过PMC插件连接。

　　3.2工作原理

　　数据采集系统的工作原理是：首先，模拟中频输入信号经过模拟前端电路调整后，实现滤波、单端转差分等。然后，信号输入ADC，加载采样时钟后，ADC将模拟信号转换为数字信号，并通过PMC接口传输到数字信号预处理模块。最后，预处理模块可将原始回波数据直接发送到嵌入式单板机，也可以将波形合成后的数据发送到单板机。数据传输方式采用USB2.0接口，使用SlaveFIFO方式传输数据[10]。嵌入式单板机通过串口与预处理卡通信，控制工作模式的设置。

　　4结语

　　本文研究了影响数据采集系统动态范围的关键因素，给出了在采集系统设计时选择芯片、设计时钟和前端电路的依据，以此为基础提出了一种高速数据采集系统的设计方案。论证分析表明，该设计方案能够满足雷达数据采集系统高速大动态范围的要求。下一步工作将围绕系统的SNR、SFDR、ENOB等主要性能指标的测试及测试新方法研究来开展。

　　参考文献

　　[1]陈曾平，刘平，马云.电路设计基础与专用系统构成[M].北京：科学出版社，2006.

　　[2]土玉永，曾云，金湘亮，等.模数转换技术及其发展趋势[J].半导体技术，2003，28（8）：7?10.

　　[3] Analog Devices Inc. Datasheet of AD9650 [EB/OL].[2011?06?04]. http：//www.analog.com.

　　[4]张俊杰，章凤麟，叶家骏.高速数据采集系统设计[J].计算机工程，2009，35（1）：207?209.

　　[5]Analog Devices Inc. Analog?to?digital converter clock optimization： a test engineering perspective [EB/OL].[2008?02?02]. http：//www.analog.com.

　　[6]段宗明，柴文乾，代传堂.时钟抖动和相位噪声对数据采集的影响[J].雷达科学与技术，2010，8（4）：372?375.

　　[7]李鑫，王胜勇，田丽艳.高速ADC电路设计分析[J].微计算机信息，2011，27（8）：111?113.

　　[8]Analog Devices Inc. Amplifier applications guide [EB/OL]. [1992?05?20]. http： // www. Analog.com.

　　[9]李木飞.中频采样数字信号处理实现技术[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2008.

　　[10]赵乐森.基于FPGA与USB2.0的数据采集与实时处理系统的设计与实现[D].青岛：中国海洋大学，2012.

 

---

期刊库（http://www.zgqkk.com），是一个专门从事期刊推广、投稿辅导的网站。
　　本站提供如何投稿辅导，寻求投稿辅导合作，快速投稿辅导，投稿辅导格式指导等解决方案：省级投稿辅导/国家级投稿辅导/核心期刊投稿辅导//职称投稿辅导。

---

　　【免责声明】本文仅代表作者本人观点，与投稿辅导_期刊发表_中国期刊库专业期刊网站无关。投稿辅导_期刊发表_中国期刊库专业期刊网站站对文中陈述、观点判断保持中立，不对所包含内容的准确性、可靠性或完整性提供任何明示或暗示的保证。请读者仅作参考，并请自行承担全部责任。